深度石墨烯的詳細(xì)描述及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

深度石墨烯的詳細(xì)描述及其在汽車領(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)中的每個碳原子都有一個無束縛電子，通過sp2雜化與周圍的碳原子形成規(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）：單層石墨烯的厚度只有一個碳原子，大約是頭發(fā)絲直徑的1-20萬倍，因此單層石墨烯幾乎是透明的，肉眼看不見，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）：石墨烯中的每個碳原子都是SP2雜化的，并貢獻(xiàn)一個P軌道電子形成一個大的π鍵。π電子能自由移動，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）：單層石墨烯的導(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)時使用的原始方法。但這種方法不能實現(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：在SiC晶體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行晶格匹配生長石墨烯晶體的方法，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，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，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)模相對較小，需要形成大規(guī)模市場的需求，目前石墨烯的大部分應(yīng)用還處于實驗室階段。雖然在實驗室效果很好，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車身輕復(fù)合材料，利物浦布里格斯汽車公司已將石墨烯用于其品牌巴科諾單座跑車的車身已經(jīng)通過了道路測試。

石墨烯復(fù)合材料不僅可以用作車身材料，還可以用于汽車零部件領(lǐng)域，如汽車輪胎，在汽車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)高分子材料工程國家重點實驗室有著不可比擬的優(yōu)勢。世界上第一個石墨烯橡膠輪胎，李克強(qiáng)訪問四川期間，總理也接見了這個輪胎。

石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m.k，通過將石墨烯與導(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，在海水中浸泡一個月而不生銹，而普通的高性能涂層只能持續(xù)幾天，因為它具有很高的憎水性和獨特的耐腐蝕性。結(jié)構(gòu)上，石墨烯可用于汽車涂料領(lǐng)域，提高防腐效果。

在汽車燃油供給系統(tǒng)中，燃油以快速湍流的方式流動，會產(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、過濾器等）需要導(dǎo)電性來防止靜電積聚，消除火花和爆炸危險，目前已成功地應(yīng)用于汽車燃料供給系統(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擋泥板、車門把手、鏡盒等方面，以方便車身靜電噴涂，與非導(dǎo)電PL相比，無需在靜電噴涂前進(jìn)行表面導(dǎo)電處理?；鼊幼?。

動力電池是新能源汽車的核心，盡管電動汽車的大力推廣，但短距離、長充電時間等缺點仍然阻礙著電動汽車的市場化，目前，鋰離子動力電池、超級電容器和燃料電池是主要的儲能裝置。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，一個很大的障礙是在充放電過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題。下圖顯示了石墨烯作為鋰電極材料的幾種應(yīng)用：

超級電容器是一種新型的儲能裝置。與充電電池相比，它可以在無限電流下充電和放電。因此，它可以在幾秒鐘內(nèi)完成充放電過程。同時，石墨烯具有功率大、壽命長的特點，分散的石墨烯具有很大的儲能活性，因為石墨烯的理論比表面積為2 630 m2/g，因此石墨烯復(fù)合材料可用于超級電容器領(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，如何解決這一問題。這些問題，石墨烯的工業(yè)應(yīng)用還有很長的路要走。

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