石墨烯调研报告

2020-03-03 12:39:24 来源：范文大全收藏下载本文

石墨烯调研报告

2016年3月4日

程毕康

1.石墨烯

石墨烯是一种可以单独存在的单原子层二维碳材料。石墨烯结构是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维的富勒烯(fullerene)，卷成一维的碳纳米管(carbon nano-tube，CNT)或者堆垛成三维的石墨(graphite)，因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是最理想的二维纳米材料。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看做是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。石墨烯可以分为单层石墨烯，双层石墨烯和多层石墨烯。

2.石墨烯性能

石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远高过了电子在其他导体中的运动速度。石墨烯具有远远高于其他材料的导电性。

另外石墨烯透光率极高，在97%以上，只吸收2.3%的可见光。石墨烯实际上是一种透明、良好的导体。

石墨烯每个碳原子与相邻的三个碳原子行程三个C-C键，这些C-C键使得石墨烯具有优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的理论比表面积高达26.600m2/g,从而使石墨烯具有突出的力学性能和导热性能。石墨烯是人类已知强度最高的物质。

石墨烯的化学性质和石墨类似。碳材料具有很强的吸附性，石墨烯也能够吸附和脱附各种原子和分子。

石墨烯是宽带隙半导体，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质。 3.石墨烯的应用

由于石墨烯具有以上优异的性能使得石墨烯的是21世纪前景广阔最广阔的材料。目前石墨烯最主要的应用有：材料科学、电子科学、催化剂载体、生物医药学等领域。

纳电子器件

常温下石墨烯具有10倍于硅片的高载流子迁移率，并且受温度和掺杂效应的影响很小。表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。另外，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。

利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高充电效率，并且提高电池容量。新型石墨烯材料将不依赖于铂或者其他贵金属，可有效降低成本和对环境的影响。

美国俄亥俄州Nanotek仪器公司实验人员利用锂离子可以在石墨烯表面和电极之间大量快速穿梭的特性开发出一种新型储能设备，可以将充电时间从过去的数小时缩短到不到一分钟。

代替硅生产超级计算机

科学家发现石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料，石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它被要求使用越来越高的频率，然而工作频率越高，热量也就越高，于是高频的提升受到很大限制。石墨烯的出现，使高频提升的发展前景变得无限广阔。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。光子传感器

石墨烯还能够以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在这个角色还是由硅担当，石墨烯的出现使硅的时代就要结束。IBM的研究小组已经披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏。用它制造的电板比其他材料具有更优的透光性。

生物医学领域

石墨烯及其衍生物在纳米药物运输系统、生物检测、生物成像、肿瘤治疗等方面的应用广阔。以石墨烯为基层的生物装置或生物传感器可以用于细菌分析、DNA 和蛋白质检测。如美国宾夕法尼亚大学开发的石墨烯纳米孔设备可以快速完成DNA 测序。石墨烯量子点应用于生物成像中，与荧光体相比具有荧光更稳定、不会出现光漂白和不易光衰等特点。石墨烯在生物医学领域的应用研究虽处于起步阶段，但却是产业化前景最为广阔的应用领域之一。

能源存储

材料吸附氢气量和其比表面积成正比，石墨烯拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点，使其成为储氢材料的最佳候选者。

吸声材料

美国IBM宣布，通过重叠两层相当于石墨单原子层的“石墨烯”试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f。石墨烯试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。

超轻防弹衣、超强光转换效率激光武器、超薄超轻型飞机、超薄能折叠的手机、高强度航空材料、高性能储能和传感器、超级电容器，甚至更富想象力的太空电梯，越来越多基于石墨烯材料的未来设备进入科学家的研究视野。 4.石墨烯制备

前石墨烯的制备工艺可分为物理法和化学法。物理法是从具有高晶格完备性的石墨或类似材料中获得，石墨烯尺度都在80nm以上。物理法包括：机械剥离法、加热SiC法、爆炸法和取向附生法。化学法是通过小分子合成或溶液分离的方法制备，石墨烯尺度在10 nm以下。化学法包括：电化学法、化学气相沉积法、石墨插层法、球磨法、氧化石墨还原法、热膨胀剥离法。

5.石墨烯复合材料

石墨烯应用广阔，但是应用和研究最多的是石墨烯复合材料。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。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越来越受到重视。石墨烯具有优异的导电、导热和力学性能，可作为制备高强导电复合材料的理想纳米填料，同时分散在溶液中的石墨烯也可与聚合物单体相混合进而经聚合形成复合材料体系，此外石墨烯的加入可赋予复合材料不同的功能性，不但表现出优异的力学和电学性能，且具有优良的加工性能，为复合材料提供了更广阔的应用空间。与纯的聚合物相比，石墨烯/聚合物复合材料的力学、热学、电学和阻燃性能均有显著提高，同时，石墨烯增强的聚合物复合材料的力学和电学性能均较黏土或者其他炭材料增强的聚合物基复合材料的性能优异。

石墨烯聚合物复合材料

根据石墨烯与聚合物的作用方式不同可分为石墨烯填充聚合物复合材料﹑层状石墨烯聚合物复合材料和功能化聚合物复合材料。石墨烯/聚合物复合材料的制备主要采用共混法，它通过聚合物与石墨烯纳米粒子共混后制成。

石墨烯/无机物复合材料

石墨烯/无机物复合材料是无机纳米材料（金属纳米材料、半导体和绝缘纳米材料）在石墨烯纳米层表面形成石墨烯衍生物。石墨烯与特定功能颗粒结合，使其在催化剂、光学等领域具有广泛的应用前景。

石墨烯/金属复合材料

石墨烯与聚合物、陶瓷复合时会出现良好的性能。此外，当石墨烯与金属复合时，也会表现出独特的性能。石墨烯比表面积大，可在其片层上修饰金属纳米粒子，即对石墨烯进行表面改性，使石墨烯的性质发生改变。另一方面，石墨烯可作为增强体添加到金属基体中，起到弥散强化的作用。金属在塑性变形时，石墨烯粒子能够阻碍位错运动，增加金属的抗拉、抗弯强度、硬度等机械性能。

总之石墨烯复合材料大大拓宽了石墨烯的应用领域。目前石墨烯和石墨烯复合材料的制备与研究尚未成熟，尤其是关于石墨烯复合吸声材料、润滑、生物医药等领域有待探索。