淺析石墨烯在航海保障中的應(yīng)用

◎ 童揚(yáng)武 黃良明 海口航標(biāo)處何丹 廣州黃埔文沖船廠

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淺析石墨烯在航海保障中的應(yīng)用

◎ 童揚(yáng)武 黃良明 海口航標(biāo)處
何丹 廣州黃埔文沖船廠

摘 要：石墨烯以其具有的強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱性、超強(qiáng)拉伸能力等特性，成為世界最受關(guān)注的新型納米材料，它的這些特性非常適合在航海保障領(lǐng)域內(nèi)使用和推廣，本文結(jié)合航保領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，通過石墨烯在超級電容、太陽能電池、力學(xué)性能、防腐性能四個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行分析，展望石墨烯將對航海保障領(lǐng)域帶來的改變。

關(guān)鍵詞：航海保障 超級電容 太陽能 電池力學(xué) 防腐

1.引言

航海保障事業(yè)主要包括航標(biāo)、測繪、通信三大業(yè)務(wù)版塊。目前，我國航海保障領(lǐng)域內(nèi)所使用的大部分設(shè)施設(shè)備仍然是傳統(tǒng)工藝。這些傳統(tǒng)的工藝、技術(shù)已經(jīng)無法滿足日益增長的航海保障需求。那么新材料、新技術(shù)的引入，將是航海保障未來發(fā)展的必然途徑。近年來，石墨烯材料是世界最受關(guān)注的新型納米材料，它所具有超級電容、復(fù)合材料等很多方面的特性，非常匹配航海保障事業(yè)中的需要。在未來石墨烯材料必將廣泛應(yīng)用于航海保障事業(yè)中，帶來翻天覆地的變革。本文通過電池改進(jìn)、吊機(jī)改進(jìn)、防腐改進(jìn)、電子元件改進(jìn)四個(gè)方面在航海保障的應(yīng)用，淺析石墨烯對提高航保智能化、科技化的作用。

2.背景

石墨烯是目前人類發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料。它是由一層碳原子構(gòu)成的六角型蜂巢晶格平面薄膜，一種穩(wěn)定苯圓環(huán)結(jié)構(gòu)的納米材料。石墨烯原本就存著于自然界，一層層疊起來就是石墨。形象的說，1mm厚的石墨，大約包含300萬層石墨烯，我們用鉛筆在紙上輕劃，留下的痕跡就可能是幾層石墨烯。石墨烯之所以一直以來沒有被人們發(fā)現(xiàn)和重視，是因?yàn)樗y以剝離出單層結(jié)構(gòu)。直到2004年，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中用微機(jī)械力法從石墨中分離出石墨烯。石墨烯才正式的出現(xiàn)在世人面前，它的眾多優(yōu)秀的特性決定了它在眾多領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義。（附表1）

3.特性及其應(yīng)用

表1：石墨烯的物理特性

3.1超級電容

現(xiàn)狀∶航海保障中廣泛使用的鉛酸蓄電池一直以來就是被詬病的部分。燈浮標(biāo)中使用的鉛酸電池容量為160Ah，每塊為20KG，每個(gè)燈浮標(biāo)使用2塊。燈塔內(nèi)使用為大型燈器供電的鉛酸電池組，每塊30KG，18塊為一組，共2組，一組備用。鉛酸電池使用周期短，每月都需要進(jìn)行相應(yīng)的電流電壓檢測，電壓達(dá)不到就需要更換，為此投入的人力物力非常之大。加上燈塔多在于孤島岬角，水標(biāo)需要跳標(biāo)，人工搬運(yùn)。鉛酸電池非常重，維修更換十分不便。人們嘗試使用鋰電池代替鉛酸電池，但是因?yàn)殇囯姵刂兴褂玫碾姌O材料鋰是活躍金屬，在高溫高鹽環(huán)境下很不穩(wěn)定，不適合在航標(biāo)、燈塔中使用。

展望：那么石墨烯材料制成的超級電容就可以很好的解決上述的困難。超級電容器，即電容很大而且能充電迅速的電容器。超級電容器最核心技術(shù)是其所采用的電極材料，要求電極具有較高的比表面積、良好的導(dǎo)電性。石墨烯分子機(jī)構(gòu)中電子或者空穴可以在共軛體中高速移動(dòng)，就形成了石墨烯的層與層之間中的載流子，這種載流子的傳輸性能，可以近乎光速的速度移動(dòng)，而且基本不受溫度影響。結(jié)構(gòu)賦予的高導(dǎo)電性、高比表面積非常滿足超級電容器的電極材料要求。因此將石墨烯作為電極材料制作卷繞式電容器，得到電容值很大的電容器單體，這種超級電容存儲的電能很大，充電時(shí)間很短，通俗的說，如果用在電動(dòng)汽車上，充電1分鐘，可以跑300公里。

3.2超高效太陽能電池

現(xiàn)狀：太陽能電池，航保業(yè)務(wù)中多為涉海工程，使用市電的情況很少，采用的能源大多使用太陽能發(fā)電。太陽能電池在當(dāng)今社會(huì)，技術(shù)已經(jīng)是比較成熟，一般的方法是利用半導(dǎo)體化合物，常見的就是晶體硅，作為光催化劑制成太陽能電池。光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被接納，將電子從共價(jià)鍵中激起，接通電路后就形成電流。特點(diǎn)就在于界面層發(fā)作的電子-空穴對越多，電流越大，界面層接納的光能越多。目前使用的硅板太陽能，在陽光不充足的時(shí)候無法滿足正常供電需求。

應(yīng)用：那么用石墨烯制成的光催化活性材料來代替硅、鍺化合物，將會(huì)大大提升太陽能轉(zhuǎn)化效率。因?yàn)閺纳鲜龅墓夥?yīng)原理分析，石墨烯具有更加優(yōu)異的電化學(xué)和光學(xué)性能，其界面面積大可以有效分離激子及傳輸載流子，室溫下石墨烯具有10倍于商用硅片的高載流子遷移率；另外，在聚合物太陽能電池中，石墨烯可以用作緩沖層減緩電子空穴的復(fù)合，提高穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)化效率。石墨烯還具有透明導(dǎo)電性能，這使得包括中遠(yuǎn)紅外線在內(nèi)的所有紅外線具有高透明性。石墨烯的導(dǎo)電率將高達(dá)ITO（銦錫氧化物，具有高的導(dǎo)電率、高的可見光透過率、高的機(jī)械硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性）的幾倍并且可以保證90%光透射率，提供了制造超高效太陽能電池的保障。

3.3力學(xué)性能

現(xiàn)狀：航保事業(yè)仍然是的勞動(dòng)力密集行業(yè)，船舶作業(yè)，浮標(biāo)、錨鏈、沉塊等起吊保養(yǎng)更換，燈塔燈籠搬運(yùn)等。都是需要大量的機(jī)械和人工作業(yè)。以浮標(biāo)為例，浮標(biāo)的材質(zhì)多為鋼質(zhì)，往來船舶經(jīng)常會(huì)和浮標(biāo)發(fā)生碰撞，導(dǎo)致浮標(biāo)燈架受損。而浮標(biāo)的保養(yǎng)又比較復(fù)雜，浮標(biāo)維護(hù)方式首先需要航標(biāo)作業(yè)船，船甲板上裝有吊機(jī)，然后航標(biāo)作業(yè)船慢慢靠近浮標(biāo)，然后人工用繩索套住浮標(biāo)，使浮標(biāo)靠近船舷，最后作業(yè)人員選擇時(shí)機(jī)跳上漂浮不定的浮標(biāo)。加上浮標(biāo)定位用的錨鏈非常沉重，人工作業(yè)存在安全隱患，非常不利于航保事業(yè)的發(fā)展。

展望：那么石墨烯是目前世界上強(qiáng)度最高的物質(zhì)、也是最強(qiáng)韌的材料，試驗(yàn)表明在石墨烯樣品微粒每100納米距離上可以承受最大大約2.9 微牛的壓力。這就意味著而且，石墨烯的斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要強(qiáng)200倍。同時(shí)，石墨烯有很好的彈性，質(zhì)量小，可以用來代替鋼材。用石墨烯材料制作的吊機(jī)、吊繩、浮標(biāo)、錨鏈、完全可以達(dá)到，重量輕、強(qiáng)度大、耐腐蝕等優(yōu)秀的物理、化學(xué)特性。如果在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能讓塑料導(dǎo)電；加入千分之一的石墨烯，就能使得塑料的提高30攝氏度抗熱性。在此基礎(chǔ)上研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌性新型材料用于制造船舶、吊機(jī)、吊索、新型浮標(biāo)，乃至燈塔等。必將大大減輕航標(biāo)作業(yè)的人力物力投入，減少浮標(biāo)因船舶碰撞造成的損壞，從而減少更換保養(yǎng)的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)安全可靠的作業(yè)方式，為航保事業(yè)的發(fā)展提供助力。

3.4防腐性能

船舶，浮標(biāo)、錨鏈都是鋼質(zhì)材料，長期在高溫高鹽的海洋環(huán)境中，雖然采用了油漆涂層物理防腐、附著鋅塊犧牲陽極化學(xué)防腐、毒性油漆阻礙海生物附著生物防腐，但是還是會(huì)在一段時(shí)間后產(chǎn)生銹蝕。在銹蝕后，航標(biāo)工人就需要吊起浮標(biāo)，更換錨鏈，除銹后噴漆再次使用，這是一項(xiàng)很需要人力物力投入的工作。

展望：那么石墨烯涂料在防腐方面也具有很優(yōu)異的性能，使用它可以制成防腐涂料、聚合物涂料、抗靜電涂料等。石墨烯用于涂料中可制備純石墨烯涂料、石墨烯復(fù)合涂料，和石墨烯氧化物涂料，據(jù)研究表明這些防腐涂料能在相對苛刻腐蝕環(huán)境里應(yīng)用，并具有能達(dá)到比常規(guī)防腐涂料更長保護(hù)期，尤其是石墨烯氧化物涂料，其防腐性能是普通的油漆防腐性能的數(shù)倍，異常堅(jiān)硬，甚至可以抗強(qiáng)腐蝕性酸。這些特性用在航海保障行業(yè)中，必將大大減輕航保作業(yè)的工作量，減輕人力物力。

3.5其他

石墨烯還是已知導(dǎo)電性能最出色的材料。電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)超過電子在一般金屬導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這種特性適合于高頻電路，航保中使用的雷達(dá)應(yīng)答器，導(dǎo)航系統(tǒng)，都是需要高頻電路的。同時(shí)，石墨烯可以展望它在未來全面取代硅，成為生產(chǎn)超級計(jì)算機(jī)的材料。

4.存在問題

石墨烯確實(shí)具有很多的優(yōu)秀特性，但是也存在一些問題。

（1）嚴(yán)格意義上完美無瑕的石墨烯是不存在的，目前實(shí)際制備獲得的石墨烯大都具有缺陷和非碳原子官能團(tuán)，缺失的程度將影響其性能，和理想狀態(tài)下的石墨烯還是有差距。

（2）石墨烯材料目前價(jià)格較為昂貴，實(shí)驗(yàn)室制備的產(chǎn)量尚不能廣泛應(yīng)用于市場。離工業(yè)化量產(chǎn)還有需要一段時(shí)間的發(fā)展。

（3）氧化石墨烯納米顆粒對人體很可能是有毒的。而且它的優(yōu)異特性導(dǎo)致它在地表水里非常穩(wěn)定、極易擴(kuò)散。所以它對環(huán)境影響下還需要進(jìn)一步論證，否則一旦大面積使用，就像現(xiàn)在社會(huì)使用的塑料一樣難以降解，就會(huì)帶來不必要的麻煩。

5.結(jié)束語

石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來就備受各個(gè)研究領(lǐng)域的青睞。我國的石墨烯產(chǎn)業(yè)化正蓬勃發(fā)展，多個(gè)以石墨烯為基材的產(chǎn)品已經(jīng)問世，產(chǎn)業(yè)化高質(zhì)量和更低價(jià)格的石墨烯可能將很快實(shí)現(xiàn)，加上我國的石墨資源豐富。我們有理由相信在不久的將來航海保障事業(yè)也必將隨著未來的生產(chǎn)生活方式改變，走向更加科技化智能化。