深度石墨烯的詳細(xì)描述及其在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用

深度石墨烯的詳細(xì)描述及其在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用



石墨烯是一種由碳原子大π鍵連接而成的新型蜂窩二維碳板材料，屬于C的同素異形體，2004年由曼徹斯特的Kostya Novoselov和Andre Geim用膠帶連續(xù)機(jī)械剝除石墨，發(fā)現(xiàn)石墨烯結(jié)構(gòu)中的每個(gè)碳原子都有一個(gè)無(wú)束縛電子，通過(guò)sp2雜化與周?chē)奶荚有纬梢?guī)則的六邊形。該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，是一種厚度最薄、強(qiáng)度最高、電阻率最小的新型材料。

石墨烯材料分為單層石墨烯、雙層石墨烯、單層石墨烯（3-10層）和多層石墨烯（10層以上），石墨烯一般呈層狀存在。石墨烯以某種形式變形，形成球形、管狀和多層石墨烯，如我們所知，石墨烯演化成富勒烯（C60）、碳納米管和石墨。

1。最薄的材料（高透明度）：?jiǎn)螌邮┑暮穸戎挥幸粋€(gè)碳原子，大約是頭發(fā)絲直徑的1-20萬(wàn)倍，因此單層石墨烯幾乎是透明的，肉眼看不見(jiàn)，透光率高達(dá)97.7%。

2。最硬的材料（高強(qiáng)度和高模量）：其拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到125gpa和1.1tpa，鋼的強(qiáng)度由石墨烯的厚度估算。石墨烯材料的理想強(qiáng)度是鋼的100倍左右，硬度也比金剛石好，硬度也比金剛石硬，同時(shí)還具有良好的柔韌性和任意彎曲性，在力學(xué)性能上，石墨烯材料實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高硬度和柔韌性的完美統(tǒng)一。

三。最具導(dǎo)電性的材料（低電阻率）：石墨烯中的每個(gè)碳原子都是SP2雜化的，并貢獻(xiàn)一個(gè)P軌道電子形成一個(gè)大的π鍵。π電子能自由移動(dòng)，使石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，石墨烯中的電子輸運(yùn)不易散射，遷移率可達(dá)2×105cm2/（V.S），約為硅中遷移率的140倍。

4。導(dǎo)熱性最高的材料（高熱傳導(dǎo)率）：?jiǎn)螌邮┑膶?dǎo)熱率高達(dá)5300W/m.k，而工業(yè)上廣泛使用的散熱金屬材料銅的導(dǎo)熱率僅為400Wm.k，但隨著石墨烯層的增加，導(dǎo)熱率逐漸降低。

石墨烯的生產(chǎn)方法有很多，大致可分為物理法和化學(xué)法。物理法一般是機(jī)械剝離法，這是石墨烯首次發(fā)現(xiàn)時(shí)使用的原始方法。但這種方法不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，隨后出現(xiàn)了一系列化學(xué)方法?；瘜W(xué)方法一般是包括氣相沉積法、外延生長(zhǎng)法和氧化還原法。

1。機(jī)械剝離法：最原始的合成方法，用膠帶粘在石墨片的兩面反復(fù)剝離，得到石墨烯。雖然這種方法簡(jiǎn)單，但得到的石墨烯在幾微米到幾十微米的范圍內(nèi)。

2?；瘜W(xué)氣相沉積：將有機(jī)氣體吸附在具有催化活性的金屬或非金屬表面，加熱有機(jī)氣體脫氫，在基體表面形成石墨烯。

三。外延生長(zhǎng)：在SiC晶體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行晶格匹配生長(zhǎng)石墨烯晶體的方法，其原理是在超低壓、高真空、高溫下加熱單晶SiC，除去硅，將碳原子還原成石墨烯片，形成石墨烯片。

4。氧化還原法：將石墨氧化，改變石墨層的自由電子對(duì)，改變石墨表面含氧官能團(tuán)，提高石墨的親水性，然后將石墨氧化物在水中剝離，形成均勻穩(wěn)定的氧化石墨膠體，最后用化學(xué)發(fā)光法將石墨氧化物還原成石墨烯?；瘜W(xué)還原、熱還原和催化還原。

近年來(lái)，石墨烯工業(yè)的發(fā)展引起了全世界的關(guān)注，但總體應(yīng)用規(guī)模相對(duì)較小，需要形成大規(guī)模市場(chǎng)的需求，目前石墨烯的大部分應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)室階段。雖然在實(shí)驗(yàn)室效果很好，但如果進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品的穩(wěn)定性仍有待觀察，石墨烯下游應(yīng)用尚未普及，國(guó)內(nèi)外部分石墨烯生產(chǎn)研究機(jī)構(gòu)及其供應(yīng)的下游產(chǎn)品如下。

石墨烯是一種理想的汽車(chē)輕量化材料，其強(qiáng)度是鋼的100倍，強(qiáng)度和硬度較高，但密度較低，質(zhì)量較輕，作為增強(qiáng)相的石墨烯可用作汽車(chē)車(chē)身輕復(fù)合材料，利物浦布里格斯汽車(chē)公司已將石墨烯用于其品牌巴科諾單座跑車(chē)的車(chē)身已經(jīng)通過(guò)了道路測(cè)試。

石墨烯復(fù)合材料不僅可以用作車(chē)身材料，還可以用于汽車(chē)零部件領(lǐng)域，如汽車(chē)輪胎，在汽車(chē)輪胎中添加石墨烯材料可以使輪胎更耐磨、更防刺穿，大大提高使用壽命，四川大學(xué)高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。世界上第一個(gè)石墨烯橡膠輪胎，李克強(qiáng)訪問(wèn)四川期間，總理也接見(jiàn)了這個(gè)輪胎。

石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m.k，通過(guò)將石墨烯與導(dǎo)熱聚合物復(fù)合，可制得強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、導(dǎo)熱性好、質(zhì)量輕的復(fù)合材料，超二維石墨烯納米結(jié)構(gòu)可保證加熱區(qū)熱量均勻釋放，并可用于汽車(chē)加熱座椅材料。

石墨烯具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性、憎水性、耐酸堿化學(xué)腐蝕性，一些研究表明，石墨烯可以噴涂在鋼表面，在海水中浸泡一個(gè)月而不生銹，而普通的高性能涂層只能持續(xù)幾天，因?yàn)樗哂泻芨叩脑魉院酮?dú)特的耐腐蝕性。結(jié)構(gòu)上，石墨烯可用于汽車(chē)涂料領(lǐng)域，提高防腐效果。

在汽車(chē)燃油供給系統(tǒng)中，燃油以快速湍流的方式流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生靜電。燃料供給系統(tǒng)中使用的部件（包括油箱、油管接頭、過(guò)濾器等）需要導(dǎo)電性來(lái)防止靜電積聚，消除火花和爆炸危險(xiǎn)，目前已成功地應(yīng)用于汽車(chē)燃料供給系統(tǒng)中。石墨烯具有與碳納米管相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性，制備成本較低?？捎糜趯?dǎo)電功能塑料，石墨烯基導(dǎo)電功能塑料也可用于汽車(chē)擋泥板、車(chē)門(mén)把手、鏡盒等方面，以方便車(chē)身靜電噴涂，與非導(dǎo)電PL相比，無(wú)需在靜電噴涂前進(jìn)行表面導(dǎo)電處理?；鼊?dòng)作。

動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)的核心，盡管電動(dòng)汽車(chē)的大力推廣，但短距離、長(zhǎng)充電時(shí)間等缺點(diǎn)仍然阻礙著電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)化，目前，鋰離子動(dòng)力電池、超級(jí)電容器和燃料電池是主要的儲(chǔ)能裝置。它們都要求電極材料具有大的比表面積、高的導(dǎo)電性和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，為石墨烯的應(yīng)用提供了廣闊的空間。

用硅、錫等材料作電池負(fù)極時(shí)，一個(gè)很大的障礙是在充放電過(guò)程中體積膨脹率很高（高達(dá)400%），導(dǎo)致電極的粉碎或電池容量的快速衰減，這些涂有石墨烯的納米材料可以解決體積膨脹問(wèn)題。下圖顯示了石墨烯作為鋰電極材料的幾種應(yīng)用：

超級(jí)電容器是一種新型的儲(chǔ)能裝置。與充電電池相比，它可以在無(wú)限電流下充電和放電。因此，它可以在幾秒鐘內(nèi)完成充放電過(guò)程。同時(shí)，石墨烯具有功率大、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，分散的石墨烯具有很大的儲(chǔ)能活性，因?yàn)槭┑睦碚摫缺砻娣e為2 630 m2/g，因此石墨烯復(fù)合材料可用于超級(jí)電容器領(lǐng)域。

在低溫燃料電池的應(yīng)用中，鉑、鈀等貴金屬作為陽(yáng)極氧化和陰極還原的催化劑，大大提高了燃料電池的成本，一方面，石墨烯中大的π鍵與金屬的相互作用可以有效地阻止金屬粒子的遷移和聚集。提高催化劑的穩(wěn)定性，另一方面，導(dǎo)電性好的石墨烯也能降低電池的內(nèi)阻，提高電池的導(dǎo)電性。

石墨烯具有許多其它材料在許多方面無(wú)法比擬的優(yōu)越性能。從理論上講，石墨烯在工業(yè)上的應(yīng)用是合理的，但作為一種具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的碳材料，石墨烯表面是疏水的，缺少活性基團(tuán)，沒(méi)有有效的化學(xué)鍵，與其它物質(zhì)的相容性差，阻礙了石墨烯在材料領(lǐng)域的應(yīng)用，如何解決這一問(wèn)題。這些問(wèn)題，石墨烯的工業(yè)應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

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