論石墨烯在民用方向的發(fā)展及前景

李振興　林白顏

摘要：石墨烯，一種跨時代的新材料，可廣泛應(yīng)用于航天、軍工、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，是世界上最輕最薄、載流子遷移率最高、電流密度耐性最大、強度最大最堅硬、導(dǎo)熱率最高的工業(yè)材料。隨著科技的發(fā)現(xiàn)，石墨烯產(chǎn)品已經(jīng)逐步進(jìn)入百姓日常生活，使得我們的生活更加快捷、更加便利。筆者主要從石墨烯在民用方向的發(fā)展為前提，結(jié)合近幾年的相關(guān)新聞報道，從石墨烯的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展、現(xiàn)狀及前景等方面進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：石墨烯；發(fā)展；特性；應(yīng)用

一、石墨烯的問世

石墨烯是從石墨中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。通俗來講，鉛筆芯用的石墨就相當(dāng)于無數(shù)層石墨烯疊在一起。

2004年，來自曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖諾夫首次成功分離出穩(wěn)定的石墨烯，兩人因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。這一發(fā)現(xiàn)揭開了新能源革命的新篇章。

二、石墨烯發(fā)展歷程

早在1934年，朗道和佩爾斯就提出準(zhǔn)二維晶體材料由于其本身的熱力學(xué)不穩(wěn)定性，在室溫環(huán)境下會迅速分解或拆解。

1947年，菲利普·華萊士開始研究石墨烯的電子結(jié)構(gòu)。

1956年，麥克魯推導(dǎo)出了相應(yīng)的波函數(shù)方程。

1960年，林納斯·鮑林曾質(zhì)疑過石墨烯的導(dǎo)電性。

1966年，大衛(wèi)·莫明和赫伯特·瓦格納提出Mermin-Wagner理論，指出表面起伏會破壞二維晶體的長程有序。

1984年，謝米諾夫得出與波函數(shù)方程類型的狄克拉克方程。

1987年，穆拉斯首次使用“graphene”來命名石墨烯。

因此二維晶體石墨烯作為研究碳質(zhì)材料的理論模型，一直未受到廣泛關(guān)注。

直到2004年，來自曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖諾夫首次成功分離出穩(wěn)定的石墨烯，而他們分離的方法也極為簡單，他們把石墨薄片粘在膠帶上，把有粘性的一面對折，再把膠帶撕開，這樣石墨薄片就被一分為二。通過不斷地重復(fù)這個過程，片狀石墨越來越薄，最終就可以得到一定數(shù)量的石墨烯。

三、石墨烯的特質(zhì)

石墨烯作為21世紀(jì)的新型材料，有許多特質(zhì)可稱之為“最強”。

（一）最輕最薄：1克石墨烯展開面積可達(dá)2630m²，單層石墨烯厚度僅為0.34nm，是普通A4紙的十萬分之一。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。

（二）載流子遷移率最高：理論值為100萬cm²/vs。而來自哥倫比亞大學(xué)的Kirill Bolotin團(tuán)隊稱電子在石墨烯中遷移速率可以達(dá)到25萬cm²/vs，超過硅100倍以上，且遷移率大小幾乎不隨溫度變化而變化。

（三）電流密度耐性最大：理論值可達(dá)2億A/cm²（為銅的100倍）。

（四）強度最大最堅硬：破壞強度55N/m。在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，其每100納米距離上可承受的最大壓力達(dá)到約2.9微牛。這一結(jié)果相當(dāng)于施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂，楊氏模量與金剛石相當(dāng)。

（五）導(dǎo)熱率最高：石墨烯的導(dǎo)熱能力出眾，達(dá)到了5000W/（m·k），是金剛石的五倍，與CNT相當(dāng)。

（六）延展性及抗壓性：石墨烯具有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。如果用1m²的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，但可以承受1kg的重物。

（七）滲透性：具有“針插不進(jìn)，水潑不進(jìn)”的零滲透特征。

（八）其他特質(zhì)：多國科學(xué)家正在積極研究石墨烯所擁有的其它特質(zhì)，如：

1.已在低溫下確認(rèn)具有一定吸氫功能效果。

2.無需添加劑可實現(xiàn)CMOS構(gòu)造的半導(dǎo)體元件。

3.常溫下可實現(xiàn)無散射傳輸，英特爾等公司正在積極研究。

四、中國在石墨烯領(lǐng)域的地位

在石墨烯領(lǐng)域，提到中國，那就不得不提其儲量。據(jù)統(tǒng)計，我國石墨礦儲量超過20億噸，占世界總儲量的75%，生產(chǎn)總量的72%。當(dāng)之無愧的石墨烯原材料第一大國。

中國是目前石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最為活躍的國家之一。截至目前，全球在石墨烯領(lǐng)域提交的專利申請量超過1.3萬余件。在所有國家中，中國石墨烯專利申請最多，已超過2200項，占世界的三分之一。此外，美國超過1700項，韓國不到1200項。

2013年7月13日，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立。

2014年12月，中國國家主席習(xí)近平同志赴江蘇高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院，參觀調(diào)研石墨烯研發(fā)情況（或現(xiàn)狀），對石墨烯產(chǎn)業(yè)寄予厚望。

2015年，中國國家主席習(xí)近平同志前往英國曼徹斯特大學(xué)國家石墨烯研究院參觀，并指出中英在石墨烯研究領(lǐng)域完全可以實現(xiàn)“強強聯(lián)合”。

同年，石墨烯產(chǎn)業(yè)已被納入國家戰(zhàn)略布局。《中國制造2025》首個重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖把它列為前沿新材料之一。中國“十三五”規(guī)劃明確提出將加快突破新材料等領(lǐng)域核心技術(shù)的研發(fā)。工信部等部委也聯(lián)合發(fā)文，提出要將石墨烯產(chǎn)業(yè)打造成先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

地方政府也對石墨烯發(fā)展提供了大力支持。2011年起，中國先后建立了5大石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)，并逐步形成了新型的資本鏈條助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（一）常州石墨烯科技產(chǎn)業(yè)園為國內(nèi)首個基于石墨烯材料及應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化基地。

（二）青島石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)定位為大型石墨烯生產(chǎn)基地。

（三）重慶石墨烯產(chǎn)業(yè)園構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)鏈接集群。

（四）寧波石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)著力打造全球最大的石墨烯原材料生產(chǎn)基地。

（五）無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)為國內(nèi)首個石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范基地。

五、石墨烯在民用方向發(fā)展前景

華為CEO任正非說過：硅的發(fā)現(xiàn)改變了二十世紀(jì)，而石墨烯將顛覆二十一世紀(jì)。

隨著科研的發(fā)展及石墨烯具有高導(dǎo)電性、高韌度、高強度、超大比表面積等特點，石墨烯系列產(chǎn)品已從航天、軍工、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已逐步走進(jìn)百姓生活。

（一）計算機(jī)芯片材料

硅的發(fā)現(xiàn)我們邁入了數(shù)字化時代，而高信息的傳輸則需要更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。而石墨烯的特性尤其適合于高頻電路，由于電子在石墨烯中遷移速率比現(xiàn)使用的硅高200倍，世界多國科學(xué)家正在研究使用石墨烯做晶體管實現(xiàn)突破，那么未來的計算機(jī)芯片頻率可以達(dá)到500GHz以上。而石墨烯器件制成的計算機(jī)的運行速度可達(dá)到太赫茲，即1千兆赫茲的1000倍。

（二）石墨烯聚合材料電池

美國西北太平洋國家實驗室（PNNL）及美國普林斯頓大學(xué)教授IlhanAksay的研究小組在2010年7月宣布，通過向鋰離子充電電池的電極中添加少量石墨烯，不僅可保持原來的能量密度，還可大幅提高輸出功率密度。

西班牙Graphenano公司（一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司）同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。

美國科學(xué)家研發(fā)出一種新型石墨烯超級電容器，其充電速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通電池，用其為一部蘋果手機(jī)充滿電僅僅需要5秒鐘，且由于石墨烯極好的導(dǎo)熱性，手機(jī)電池發(fā)熱的問題也基本解決。

2014年美國高通公司在首屆電動汽車方程式錦標(biāo)賽中推出了Halo車用無線充電系統(tǒng)（靜態(tài)無線充電技術(shù)）。2016年世界移動通信大會上，高通總裁Derek Aberle提到：“未來公路上可能設(shè)有充電設(shè)備，電動車行駛在路上就可以實現(xiàn)自動充電。”隨著現(xiàn)在無線充電技術(shù)的不斷完善，相信在不久的將來汽車用戶就不需要去加油站排隊或從家里拉出長長的電線為愛車加油，他們只需要行駛經(jīng)過含有無線充電裝置的路段時即可實現(xiàn)邊行駛邊充電，加之石墨烯電池的快速充電特性，在不久的未來電動汽車可實現(xiàn)永久續(xù)航。

（三）智能手機(jī)觸控屏

智能手機(jī)觸控屏的性能提升將直觀地改善用戶操作體驗。2015年11月，常州二維碳素科技股份有限公司與深圳貝特萊電子科技股份有限公司聯(lián)合推出了全球首款石墨烯壓力觸控傳感器，這一技術(shù)應(yīng)用于智能移動終端電子產(chǎn)品上，可實現(xiàn)多級按壓感應(yīng)、輕按、輕擊、指甲敲擊、殼體振動等多項功能。

2015年3月，影馳（GALAPAD）聯(lián)合重慶石墨烯科技有限公司發(fā)布了首批石墨烯手機(jī)，徹底解決了手機(jī)存在的觸控不靈敏、畫質(zhì)暗淡、耗電快、充電慢、發(fā)熱嚴(yán)重等問題。

（四）石墨烯光學(xué)調(diào)制器

美國加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯國家實驗室組成的研究團(tuán)隊使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器，只有頭發(fā)絲四百分之一粗細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備高速信號傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待。

（五）高性能傳感器功能

由新加坡南洋理工大學(xué)助理教授Wang Qijie研究的石墨烯圖像傳感器能夠檢測廣譜光，感光能力比傳統(tǒng)傳感器強1000倍。這意味著即便是在昏暗的光線環(huán)境中，這類傳感器依然能夠捕捉到較為清晰的物體影像。

（六）可彎曲的顯示設(shè)備

由于石墨烯的超高輕度、高透光性以及超強導(dǎo)電性等特質(zhì)，是制造可彎曲顯示設(shè)備的理想材料。2016年1月，LG公司宣布將在CES2016大展發(fā)布世界首款18英寸可彎曲顯示屏，并稱該屏幕可像報紙一樣卷起來。同年2月18日，加拿大女王大學(xué)人類媒體實驗室成功研制出搭配LG公司柔性觸摸屏的手機(jī)“ReFlex”，使得許多智能手機(jī)的操作只需要彎曲一下屏幕就能做到。

六、結(jié)束語

由于石墨烯的諸多特質(zhì)，使得它可以應(yīng)用到世界各個領(lǐng)域。其中，我們顯而為知的還有：航空航天材料、高效率導(dǎo)體、高強度材料、石墨烯物理實驗平臺、高性能太陽能電池等。

2015年，在青島舉辦的中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，石墨烯理療、保暖產(chǎn)品、LED用高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料、石墨烯防彈材料等20余種石墨烯產(chǎn)品已全新推出。

總體來說，對石墨烯的研究才剛剛起步，人們對其物理、化學(xué)、電子性質(zhì)的了解還不夠透徹。隨著世界各國對石墨烯產(chǎn)業(yè)的不斷投資研發(fā)，相信在不久的將來，我們的生活會因為石墨烯而徹底改變。