中國粉體網(wǎng)訊 石墨烯的厚度僅為0.35nm,，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料。由于石墨烯的結(jié)構(gòu)的特殊性,，使得它具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能,。例如，它的抗拉強(qiáng)度是已知所有材料中最高的,，可以達(dá)到130Gpa,，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)4.84×103～5.3×103 W/(m·K)，相當(dāng)于碳納米管的極限導(dǎo)熱系數(shù),；其載流子遷移率高達(dá)15000cm2·V-1s-1,，是目前已知遷移率最高的，可以達(dá)到商用硅片的10倍以上,。
碳同素異形體：石墨烯到富勒烯,、納米管及石墨
近年來，基于石墨烯優(yōu)異的性能和獨(dú)特的結(jié)構(gòu),，石墨烯在電子器件,、納米纖維、航空航天,、國防,、醫(yī)藥、屏蔽材料,、導(dǎo)熱材料,、儲(chǔ)能材料、傳感器以及其他先進(jìn)復(fù)合材料等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,。今天,，粉體網(wǎng)編輯簡要盤點(diǎn)石墨烯在部分高端行業(yè)的典型應(yīng)用與內(nèi)在價(jià)值，大家一起交流,、學(xué)習(xí),。
高品質(zhì)石墨烯
1,、國防裝備
在國防領(lǐng)域的多個(gè)方向，石墨烯的潛在應(yīng)用已經(jīng)嶄露頭角,，并且制得的先進(jìn)材料的某些性能已經(jīng)體現(xiàn)出了顛覆性的優(yōu)勢(shì),。
由于石墨烯的高強(qiáng)度，作為增強(qiáng)材料,，石墨烯可用于多種軍事平臺(tái)的結(jié)構(gòu)材料,、裝甲材料、身體防護(hù)設(shè)備等,，制得的復(fù)合材料優(yōu)于目前已知的所有增強(qiáng)材料的效果,。
由于石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，將石墨烯用于多種電子器件如納機(jī)電系統(tǒng),、場效應(yīng)晶體管,、存儲(chǔ)設(shè)備、調(diào)制器,、激光器,、戰(zhàn)劑傳感器,、氣體傳感器,、高溫傳感器等，或用于負(fù)載供電設(shè)備,、智能衣物等,，可以顛覆性地改變這些器件或設(shè)備應(yīng)用場景的態(tài)勢(shì)。
此外,，將石墨烯用于隱身材料,、凈水材料等，石墨烯也已經(jīng)顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì),。作為當(dāng)今備受關(guān)注的前沿新材料之一,，國際上很多國家也高度重視石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從戰(zhàn)略層面對(duì)石墨烯進(jìn)行布局,。
2,、熱管理
高速飛行器、微電子器件等領(lǐng)域熱管理的主要作用是將諸如電子元器件中產(chǎn)生的熱量快速傳遞至散熱材料,，避免其因過高的溫度而發(fā)生失效,。如果器件使用過程中出現(xiàn)了熱點(diǎn)，其熱通量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他區(qū)域,，因此要求導(dǎo)熱材料具有較高的面內(nèi)熱導(dǎo)率,。銅、鋁等傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料,，由于密度大,、熱膨脹系數(shù)高,、易腐蝕、不耐氧化等缺點(diǎn),，難以滿足航空航天等極端環(huán)境下導(dǎo)熱,、傳熱的要求。
由于高比表面積,、高載流子遷移率及完美的二維平面晶體結(jié)構(gòu),，石墨烯具有優(yōu)異的面內(nèi)導(dǎo)熱性能，且通過與碳納米管共價(jià)交聯(lián)有望改善石墨烯厚度方向的導(dǎo)熱性能,，使其在微電子,、航空航天、船舶,、高功率武器平臺(tái)的熱管理方面具有重大的戰(zhàn)略前沿意義,。在室溫下的面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)~5300W/(m·K)，石墨烯還具有密度低（<2.2g/cm3）,、熱膨脹系數(shù)小、熱輻射率高,、高溫穩(wěn)定性好（無氧環(huán)境下耐溫可達(dá)約3000℃）,、耐粒子沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此石墨烯是一種理想的可適用于極端環(huán)境的高性能熱管理材料,。
3,、電磁屏蔽
石墨烯基材料因其獨(dú)特的電磁性能（極高的電子電導(dǎo)和優(yōu)異的磁學(xué)性能）和出眾的力學(xué)性能（厚度薄且拉伸強(qiáng)度大）而具有超高的理論SE值，是新一代高屏蔽效能,、寬頻的輕質(zhì)電磁屏蔽的首選材料之一,。研究表明，單層石墨烯在理想情況下可通過吸收損耗衰減電磁波,，其電磁干擾屏蔽效能可達(dá)到16.5dB,，對(duì)入射電磁波的屏蔽率為97.8%。
由于片層之間的范德華相互作用,，石墨烯納米片會(huì)發(fā)生不可逆團(tuán)聚或無序堆積,，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的接觸電阻，電子難以沿平面方向高效傳輸,，限制了其電磁屏蔽性能的發(fā)揮,，并降低了其力學(xué)強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)化是抑制自發(fā)堆疊與團(tuán)聚,，充分發(fā)揮石墨烯高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性優(yōu)勢(shì)的重要手段,。利用還原自組裝法、澆注法,、化學(xué)氣相沉積法,，使石墨烯基材料通過π-π堆疊成層層有序的薄膜結(jié)構(gòu),，能夠大幅提高石墨烯材料的導(dǎo)電性。此外,，通過薄膜表面性質(zhì)與厚度調(diào)控能夠獲得差異化電磁屏蔽能力及適用于不同電磁場景的電磁屏蔽材料,。
4、柔性電子
石墨烯的透光率非常高,，其吸收率只有2%,，比氧化銦錫的15%~18%要低得多，它不但透射率高,，表面電阻小,，均勻性好，而且化學(xué)性能穩(wěn)定,，硬度大,。雖然采用化學(xué)方法制備的石墨烯具有較低的導(dǎo)電性，但是其成本低,、功能化簡單,、成膜面積大等特點(diǎn)，使其仍被廣泛地用于柔性電子,、光電子器件和電路領(lǐng)域,；而且這種薄膜具有很好的延展性，即使受到外力的影響,，也能維持其優(yōu)良的性能,。
研究顯示，在經(jīng)歷了25%的變形之后,，這種觸摸屏仍然具有良好的電學(xué)和力學(xué)性能。因此,，隨著石墨烯技術(shù)的發(fā)展,，石墨烯將會(huì)取代銦錫氧化物，從而形成一種新型的透明電極,。
5,、傳感器
由于石墨烯具有大的比表面積、獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì),、優(yōu)異的導(dǎo)電性,、高載流子遷移率和密度、高導(dǎo)熱性等,，因此石墨烯和傳感器是天然的組合,。石墨烯的大表面積可以增強(qiáng)所需生物分子的表面負(fù)載，其優(yōu)異的導(dǎo)電性和小帶隙有利于生物分子和電極表面之間的電子傳導(dǎo),。石墨烯片內(nèi)的每個(gè)顆粒都處于包圍條件下,，使得石墨烯能夠以微米測(cè)量充分識(shí)別周圍環(huán)境的變化,，從而具有高水平的情感性。石墨烯同樣可以在原子水平上區(qū)分奇異擾動(dòng),。
石墨烯的大量特性有助于在傳感器中的應(yīng)用,。而且適用于不同領(lǐng)域的傳感器，包括生物傳感器,、DNA傳感器,、化學(xué)傳感器、氣體傳感器等等,。
6,、太陽能電池
石墨烯具有優(yōu)良的透光性、高電子遷移性,，更低的電阻性,，因此它在太陽能電池方面的應(yīng)用潛力很大。利用石墨烯作陽極,，可以從根本上解決目前使用的透光導(dǎo)電極材料存在的低熱穩(wěn)定性,、高成本等問題。與常規(guī)的單晶硅電池相比,，石墨烯太陽能電池的成本大幅下降,，成本降低為30%左右。
7,、超級(jí)電容器
石墨烯因其比表面積大,、柔韌性好、機(jī)械性能好,、導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn),，被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容電極。目前,，在超級(jí)電容中,，石墨烯的應(yīng)用主要有兩種：一是作為獨(dú)立的電極材料；二是將石墨烯與金屬,、金屬氧化物,、導(dǎo)電高分子等電極材料混合形成復(fù)合電極。
從石墨烯材料角度總結(jié),，石墨烯量子點(diǎn)或粉末可以組裝成零維（0D）結(jié)構(gòu)電極材料,，石墨烯纖維或紗線可以組裝成一維（1D）電極材料，石墨烯薄膜或薄片可以組裝成二維）2D）電極材料,，與金屬氧化物/氫氧化物顆�,；�?qū)щ娋酆衔飶?fù)合形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可組裝成三維（3D）電極材料。
8、半導(dǎo)體
場效應(yīng)晶體管是一種利用電流在輸入電路中的電流來控制輸出環(huán)路的新型半導(dǎo)體器件,。目前,，許多晶體管采用的電極材料多為金、鋁,，其電阻大,、反應(yīng)不靈活、資源消耗大,、透光率低,、不易彎曲和變形。而石墨烯的化學(xué)特性和鋁類似,，既有鋁的優(yōu)勢(shì),，又克服了鋁的缺陷，其化學(xué)性能比鋁更穩(wěn)定,，電子遷移率也更高,，并且與鄰近層的材料接觸的電阻非常低。高速晶體管溝道較短時(shí),，其響應(yīng)速度也較快,。
目前，石墨烯場效應(yīng)晶體管分為兩類：底柵型和頂柵型,。底柵制作工藝簡單,，但寄生電容大，不易與其他器件進(jìn)行集成,；頂柵型的特點(diǎn)是：寄生電容很小,，易于與其它設(shè)備集成。目前,，在模擬電路和數(shù)字電路中,，石墨烯場效應(yīng)晶體管已被廣泛應(yīng)用。
9,、醫(yī)藥
石墨烯應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域可以進(jìn)行基因遞送,、開發(fā)生物替代品改善和恢復(fù)組織器官的功能。石墨烯基納米材料在傷口愈合,、再生醫(yī)學(xué)、組織和干細(xì)胞工程領(lǐng)域找到了新的發(fā)展方向,，它具有卓越的力學(xué)性能（如強(qiáng)度,、彈性和柔韌性），適用于平坦表面并影響各種功能,。
此外,，氧化石墨烯、還原氧化石墨烯和石墨烯量子點(diǎn)表現(xiàn)出高表面積,，可提供足夠的載藥能力和生物相容性,。
10,、抗菌材料
氧化石墨烯作為一種碳基納米材料，其本質(zhì)上是由石墨片剝離而來的一種表面含有羥基（-OH）,、羧基（-COOH）和醛基（-CHO）等含氧官能團(tuán)的二維材料,。眾所周知，氧化石墨烯可以表現(xiàn)出與傳統(tǒng)抗生素不同的抗菌機(jī)制,，其抗菌作用始于自身與細(xì)菌細(xì)胞的相互作用,，總體可分為細(xì)菌細(xì)胞膜破壞、氧化應(yīng)激以及細(xì)菌捕獲包覆,。
由于氧化石墨烯獨(dú)特的抗菌機(jī)制,，其需要與細(xì)菌相互作用引發(fā)抗菌性能,。因此,，在實(shí)際應(yīng)用中氧化石墨烯的抗菌活性會(huì)受到一些物理和化學(xué)因素的影響，包括形態(tài)尺寸,、外部環(huán)境、使用條件和抗菌助劑等,。目前,，氧化石墨烯在生物醫(yī)學(xué),、水處理,、涂料和紡織等多個(gè)領(lǐng)域的抗菌應(yīng)用材料被廣泛應(yīng)用,。
結(jié)語
石墨烯材料在光學(xué)、電學(xué),、熱學(xué)和力學(xué)等方面的優(yōu)異特性使其幾乎應(yīng)用到了各行各業(yè),，其價(jià)值之大不可估量,。不過石墨烯制備技術(shù),、應(yīng)用成本依舊有待突破，其價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有開發(fā)完,。
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