石墨烯工業(yè)應用

一、導電應用

石墨烯的每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道電子形成π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯優(yōu)異的導電性。石墨烯是目前已知導電性能最出色的材料，常溫下石墨烯電子遷移率超過15000cm2/V·s，比碳納米管或硅晶體還高，而電阻率只約為10-6Ω·cm，比銅或銀更低，是世界上電阻率最小的材料。這些優(yōu)異的性能使石墨烯在高性能電池、超級電容、微納機電器件及復合材料諸多領(lǐng)域都有潛在應用。

應用案例1：導電印染

將導電漿料印刷在織物表面，制成微發(fā)熱印染制品，12V低電壓通電90s發(fā)熱40-43度。

應用案例2：：能源電池

在理論上石墨烯電極可能有超過石墨兩倍的比容量。如果將石墨烯和炭黑混合后作為導電添加劑加入鋰電池可以有效降低電池內(nèi)阻，提升電池倍率充放電性能和循環(huán)壽命。先豐客戶將石墨烯粉體添加到電池的正極和集流體中，放電容量提升8%，電極電壓顯著提升。

應用案例3：防靜電電纜絕緣皮

將少量石墨烯添加到PP塑料制成電纜外層絕緣皮，達到了防靜電效果，耐磨防腐性能也有所提升。

二、導熱應用

石墨烯的理論導熱率可高達3000~5000W/(m·K)，是普通石墨導熱率（1800W/(m·K)）的2~3倍。石墨烯具有極高的熱導率和熱輻射系數(shù)，遠高于金屬中導熱系數(shù)最高的金、銀、銅、鋁等。石墨烯紅外輻射的性能可將熱量均勻地快速傳導在二維平面上，并沿水平和垂直兩個方向同時散熱，將熱量輻射的形式散發(fā)到外界環(huán)境空間，有效地將熱量轉(zhuǎn)移。

應用案例1：石墨烯散熱膜

在電器元件負載石墨烯散熱膜，有效的將元件表面溫度從45度降低到32度。

應用案例2：散熱涂料

在環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂等有機涂料中添加石墨烯制成散熱樹脂涂料，涂料的導熱性能提升20%以上。

三、防腐耐磨

石墨烯具有獨特的性能，常常作為填料添加到聚合物或者合金中來改善基體在防腐性能方面的不足，其防腐機制主要為： ①石墨烯化學性質(zhì)極其穩(wěn)定，可以起到阻隔的作用，防止基底與腐蝕介質(zhì)接觸；② 石墨烯為納米材料，具有小尺寸效應，可以填充到涂料的孔洞和缺陷中，在一定程度上阻止和延緩了小分子腐蝕介質(zhì)浸入金屬基體；③從電化學角度來說，石墨烯能更好地鈍化鍍層金屬，使鍍層的耐蝕性能進一步得到提高。

應用案例：石墨烯管道防腐涂料

將石墨烯添加到防腐涂料中，油井管道涂覆石墨烯復合后的防腐涂料，涂層表面硬度達到7H以上，管道表面形成石墨烯特有的微凸結(jié)構(gòu)，達到疏油、防結(jié)蠟的效果。

石墨烯具有特殊的二維納米層狀結(jié)構(gòu)、高的機械強度和導熱性，并且是碳質(zhì)固體潤滑材料的基本結(jié)構(gòu)單元。實驗研究表明，隨著石墨烯的添加，石墨烯不斷覆蓋在摩擦副表面，摩擦副表面的粗糙度被石墨烯表面的粗糙度所替代，所以潤滑機理逐漸趨向薄膜潤滑，顯著提高了潤滑劑的承載性能和摩擦副的抗磨性能。石墨烯具有原子薄的厚度和低剪切強度的層狀結(jié)構(gòu)，作為各種材質(zhì)微納器件的抗黏、減摩防護薄膜，單層、三層及多層石墨烯基納米潤滑薄膜能夠顯著減小基底表面的摩擦系數(shù)和耐久壽命。

應用案例：潤滑油

將石墨烯粉體加入到基礎(chǔ)油后，潤滑油的摩擦系數(shù)降低、磨損修補等各項性能有較明顯改善。

四、機械性能增強

石墨烯是已知強度和硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)材料。其抗拉強度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa。石墨烯的強度極限為42N/m2。理想石墨烯的強度約為普通鋼的100倍，面積為1m2的石墨烯層片可承受4kg的質(zhì)量。石墨烯作為一種典型的二維增強材料，在復合材料領(lǐng)域具有潛在的應用價值。