石墨烯及其在陶瓷中的研究現狀與前景分析

江期鳴，黃惠寧，何乾，戴永剛

（廣東金意陶陶瓷集團有限公司，佛山528031）

石墨烯及其在陶瓷中的研究現狀與前景分析

江期鳴，黃惠寧，何乾，戴永剛

（廣東金意陶陶瓷集團有限公司，佛山528031）

石墨烯以其在力、熱、光、電和磁等方面具有的優異物化性能和獨特的二維結構成為國內外材料領域的研究熱點。本文主要介紹了石墨烯結構、石墨烯性質、石墨烯制備方法、石墨烯表征方法、石墨烯復合材料的分類、石墨烯的問題及其應用，并對國內外石墨烯及其在陶瓷中的研究現狀進行了評述，同時，分析石墨烯及其在陶瓷中的發展前景。

石墨烯；陶瓷；復合材料；研究現狀；發展前景

（上續2017年第11期第7頁）

4 石墨烯及其在陶瓷中的發展趨勢分析

目前，石墨烯在全球范圍都引起了高度關注。依據產品屬性，石墨烯產業被分為上游、中游與下游三大塊。上游是石墨開采與烴類物質加工等原材料生產產業。中游是石墨烯粉體、薄膜等產品的生產加工產業。下游是材料、電子、生物醫藥、環保等領域的石墨烯應用。因此，對于石墨烯及其在陶瓷中的發展趨勢可以從以上三部分進行分析。

4.1 石墨烯的原材料產業

依據中國地質調查局調查稱，我國石墨儲量是世界總儲量的33%，居世界第二，2.6億噸礦儲已證實，預估潛在還有18.7億噸。另外，我國目前是世界第一大石墨生產國與出口、消費國。現今，中國有石墨礦山194座，其中分別有40座大型，19座中型，135座小型礦山，集中在內蒙古、黑龍江、河北和山東等地。因此，從以上信息可以看出，石墨烯的原材料供應還是十分充足的，這對整個石墨烯市場及其應用化非常有利。

4.2 石墨烯的生產加工產業

按照BCC Research研究預測，世界石墨烯市場規模在2018年將會有1.95億美元，至2023年則會超13億美元。但因為技術不成熟和成本高等限制，至今中國石墨烯行業還未能實現產業化，國家政策體系也在逐漸完善。但按照當前市場預估，國內石墨烯產業化會迅速得到發展。依據中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟提供的數據表明：全球石墨烯市場到2020年會超1000億元，新能源行業所包括的鋰電池與超級電容市場將超534億元，中國將會占50～80%的比例。

但目前因石墨烯生產過程尚未完善，行業標準的制定也就無法統一。石墨烯其實是一大類多功能材料的統稱，同時存在很多的形式，例如粉體、漿料、薄膜等。但不同形式特點都有差異，比如有些可導電的，而其它則是絕緣的。另外，因生產商、原材料以及生產工藝不同，致使所制備的石墨烯性質、質量也有差異。且即便選擇了適宜的的石墨烯材料與生產商，但仍可能會獲得不一致的石墨烯，同一生產商不同批次的石墨烯會有波動，同一批次的石墨烯也可能會有不同。對于石墨烯材料的寬廣定義，規范石墨烯的標準就顯得格外重要。標準的缺乏會使得石墨烯間產生混淆，且會嚴重影響推進商業化，標準化將保證石墨烯的性質與質量，以及其應用化進程。

4.3 石墨烯及其在陶瓷中的應用

相對于石墨烯本身而言，石墨烯的制備方法，制造成本、生產質量限制了其在下游產業中的應用；對于石墨烯制備機理方面，需從分子與原子角度研究石墨烯與各組分的形成機制、形核、生長過程等的化規律；從微觀上加強石墨烯表面功能化與制備其復合材料的熱力學和動力學的研究。深入研究石墨烯復合材料的結構性能和制備過程間的關聯，為優化石墨烯復合材料結構與制備方法提供理論依據。另外，石墨烯復合材料的結構優化和控制應得到實現。

從石墨烯在陶瓷中的應用研究角度出發，對于石墨烯陶瓷復合材料的性質會受到原料選擇、成分配比、制備方法和工藝參數等的影響，所以，需加強以下方面的研究：拓展石墨烯陶瓷復合材料的種類和應用范圍，優化石墨烯陶瓷復合材料的制備方法，研究石墨烯和陶瓷間互相作用所產生的獨特性質，同時對兩者間作用機理進行探討，并經過理論模擬，為有關研究成果提供理論依據，以便控制復合材料性能。另外，當今關于復合材料的研究大多都聚焦在力學性能上，而摻入石墨烯對陶瓷電、熱和磁性能方面的改善研究很少，希望以后的研究會更加全面完善。

另外，從石墨烯的原材料和生產加工分析來看，石墨烯的應用，特別是在陶瓷中的實際應用，應該考慮以下幾方面。

4.3.1石墨烯陶瓷復合材料關于石墨烯基礎原材料的選擇

在制備石墨烯陶瓷復合材料時，需根據所需的特性選擇不同形式石墨烯原材料，例如漿料、粉體、薄膜等不同形式石墨烯，亦或選擇側重于導熱、導電、增韌等不同性質石墨烯。

4.3.2石墨烯原料一致性和標準的控制

因為現在石墨烯原料的一致性還較難控制，當制備石墨烯陶瓷復合材料時，要先做足準備，來確保實際應用參數，且預估材料的變化，同時提前設計應對方案。

4.3.3成本和利潤的考慮

碳本身大量存在，石墨烯價格也應會適宜。但是，由于制備工藝與生產量局限等原因，導致現在其價格很高，市場價格1 RMB/g的產品，大多數還都是5～10層，客觀上只算薄片石墨而稱不上石墨烯，而真正的單層石墨烯價格還會高很多。石墨烯要實現產業化，還需依靠下游行業的剛性需求，同時石墨烯制備成本首先要降到0.1 RMB/g以下，但這是個漫長的過程，初始材料成本依舊十分高。值得一提的是運輸與儲存是石墨烯項目成本和可行性的重要方面應引起重視，類型不同的石墨烯對儲存與運輸條件要求會有差異。目前石墨烯項目，雖然研究與應用正在逐步進行，但是石墨烯的商業化還未能完全實現，利潤可能還無法達到預期。

5 結論

5.1 石墨烯產業全球初步化

現在，美、英、日等八十多個國家已投入了石墨烯材料的研究應用，少數已明確產業化方向并開始形成產業鏈，這預示著石墨烯產業進入產業化初期。

5.2 國內石墨烯產業群逐漸成型

中國石墨烯項目聚集區域主要是四個：珠江三角洲地區、長江三角洲地區、京津冀區域與山東地區，其它地區也正在逐漸形成獨特的區域性石墨烯產業集群。

5.3 我國石墨烯產業現僅處研究階段

雖然中國有關于石墨烯的論文與專利數量上都已占據世界領先位置，但具有原創性、突破性的研究成果十分少，市場也十分無序。有關石墨烯產業的現狀還僅停留在研究階段，離實現產業化還是有很大的差距。

5.4 石墨烯陶瓷復合材料國內外研究甚少

國內外對石墨烯復合材料的研究主要聚焦于石墨烯改性聚合物，而石墨烯無機納米復合材料相關研究相對甚少，制備方法和原理思路都是借鑒前者，石墨烯陶瓷復合材料則更少。

5.5 石墨烯可顯著提升陶瓷材料性能

石墨烯在陶瓷基體中可均勻分散，而且石墨烯優異的物化性能，可明顯提升石墨烯陶瓷復合材料的機械、電學與熱學等性能，陶瓷的脆性、絕緣性等性質能得到完全改變，最終獲得具有特殊性能的結構功能一體化陶瓷復合材料。

5.6 石墨烯陶瓷復合材料目前主要研究體系

石墨烯陶瓷復合材料當前集中研究的體系主要包括氧化物、氮化物和碳化物體系等。

5.7 石墨烯陶瓷復合材料需系統化研究

現在關于石墨烯復合材料的研究大多都聚焦在力學性能上，而摻入石墨烯對基體電、熱和磁性能方面的改善研究很少，以后需對石墨烯陶瓷復合材料的原料種類、制備方法、作用原理、應用范圍、性能與作用進行系統的研究。

5.8 石墨烯電熱膜是石墨烯陶瓷復合材料的一個重要研究方向

石墨烯電熱膜是一個值得培育的有前景的產業。石墨烯與陶瓷結合材料，重點方向是提高導電和傳熱效率。

6 結束語

目前，石墨烯不論是研究還是應用，都表現出了極大意義與價值，并在很多領域取得了相關成就。同時，有關于石墨烯復合物材料的研發也為石墨烯的應用提供一定的理論基礎。而我國對于石墨烯及其復合材料依舊處于研究階段，想實現產業化還面臨很多問題和挑戰。

另外，石墨烯在陶瓷材料中的應用總體而言更還是處于起步階段，石墨烯在陶瓷中的應用只是眾多應用渠道中的一種，希望將來可拓寬其可實際應用的領域。石墨烯在陶瓷中應用的可行性、原料品種、應用方法、使用量、成本與性價比、產品類型、市場前景等問題還值得深入探討。

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Research Status and Prospect Analysis of Graphene and Its Application in Ceramics

JIANG Qi-ming,HUANG Hui-ning,HE Qian,DAI Yong-gang
(Guangdong Kito Ceramics Group Co.,Ltd.,Foshan,Gongdong,528031)

Graphene has become a research focus in the field of materials both at home and abroad due to its excellent physical and chemical properties,such as mechanical,thermal,optical,electrical and magnetical properties,and its unique two-dimensional structure.This paper mainly introduces the structures of graphene,the properties of graphene,graphene preparation methods,characterization methods of graphene,classification of graphene composites,the problems of graphene and the application of graphene.Besides,the domestic and foreign research status of graphene and its application in ceramics are reviewed.At the same time,the development prospect of graphene and its application in ceramics are also analyzed.

Grapheme;Ceramics;Composite materials;Research status;Development prospects