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石墨烯的应用

2020/4/17 17:07:53      点击:
随着石墨烯批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,产业化应用步伐正在加快,基于已有的研究成果,先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

基础研究

石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中,电子的质量仿佛是不存在的,这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动,从而必须用相对论量子力学来描述,这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向:一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验,如今可以在小型实验室内用石墨烯进行。

石墨烯还具有所谓的量子霍尔效应,这种诺贝尔奖量级的重要效应以往是要在极低温下才能显现的,石墨烯却能将它带到室温下。

面状发热材料

石墨烯发热原理是基于单层石墨烯的特性,首先石墨烯是目前为止导热系数高的材料,具有非常好的热传导性能。其次,石墨烯在室温下载流子(导电离子)为15000cm/(v.s),这一数值超出硅材料的十倍,是目前已知载流子迁移率高的物质锑化铟(InSb)的两倍以上,与很多材料不一样,石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小。恒升石墨烯柔性发热膜在使用的过程中,通过电池充电之后便会迅速发热。


石墨烯发热膜

  恒升导电电热碳膜采用进口高分子超导纳米碳黑、固化剂、助剂等混合聚乙烯经特殊工艺制作,体积电阻可在10^2Ω·cm至10^4Ω·cm之间调整。此种膜材电阻值均匀稳定,表面光滑平整,挠性好,柔软可任意曲折,耐磨性能优良,具有良好的加工性能等优点。另外相对于金属导体产品,更有不生锈、不电蚀、柔韧性好等优点。

在各种面式供暖系统或产品中,恒升电热膜为发热体,将热量以辐射的形式送入空间,使人体和物体首先得到温暖,其综合效果优于传统的对流供暖方式。电热膜为纯电阻电路,故其转换效率高,除一小部分损失(2%),绝大部分(98%)被转化成热能。另外电热膜的发热主要以辐射的方式散发热量,属低温辐射,具有透射性,波长为8.97微米,是一种对人体健康有益的红外线,被科学家称为“生命光波”。它可以迅速被人体吸收,使微血管扩张,促进血液循环和新陈代谢,增强人体力,对健康十分有益。

晶体管

石墨烯可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下,目前勇挑大梁的以硅为材料的晶体管在10nm左右的尺度上就会失去稳定性;石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点,又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz,超过同等尺度的硅晶体管。

柔性显示屏

消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势柔性显示屏。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了又多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63cm宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示,这是迄今为止“块头”大的石墨烯块。随后,他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。研究人员表示,从理论上来讲,人们可以卷起智能手机,然后像铅笔一样将其别在而后。

新能源电池

新能源电池也是石墨烯早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

航空航天

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。 

感光元件

2013年,新加坡南洋理工大学学者,研发出了一个以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件,可望透过特殊结构,让感光能力比现有CMOS或CCD提高上千倍,而且损耗的能源也仅需原本10%。

这项技术将被应用在监视器与卫星成像领域中,不久的将来可以应用于照相机、智能手机等。 

复合材料

基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能, 具有广阔的应用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上,而随着对石墨烯研究的深入, 石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。

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