带你了解石墨烯

      石墨烯(石墨烯)是从石墨材料上剥离下来的二维晶体，由碳原子组成，只有一层原子厚度。石墨烯狭义上是指单层石墨，厚度为0.335nm，只有一层碳原子。但实际上，10层以下的石墨结构也可以称为石墨烯，10层以上的称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨。碳原子通过共价键连接形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六方晶格组成。

       石墨烯由于其特殊的结构和许多优异的性质，引起了科学界的极大兴趣，成为材料科学的研究热点。

     (1)机械性能。石墨烯是世界上已知最薄的材料(0.34nm)，也是迄今为止确认的最强材料。其强度可达130GPa，约为世界上最好的钢材的100倍，杨氏模量为1.054-1.060TPa，弹性极佳，可拉伸至自身尺寸的120%如果用石墨烯做成包装袋，虽然重量极轻，但也就能承受2吨左右的货物。石墨烯的硬度高于莫氏硬度为10的金刚石，但韧性(柔韧性)较好。迄今为止，很少有材料同时具备这两种特性。(2)电磁性能。石墨烯中电子传输的阻力很小，在亚微米距离移动时没有散射。具有良好的电子传输特性，其中电子运动的速度达到光速的1/300，远远超过一般导体中电子运动的速度。最新研究表明石墨烯具有很高的载流子迁移率(15000 cm2v-1s-1)，是商用硅片的10倍，也是目前已知迁移率最高的锑化铟材料的两倍。所以预言石墨烯将成为硅的替代品，从而改变人类的生活。此外，石墨烯具有室温量子霍尔效应、室温铁磁性等特殊性质。(3)热性质。石墨烯具有非常强的热导率，单层石墨烯的热导率可达5000 W/m·K，是纯金刚石的3倍，是金属铜常温下的12倍。(4) 石墨烯还具有优异的透光性能，光子透过率高出97.4%，其理论比表面积高达2630 m2·g-1。石墨烯的快速导热散热特性使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料，广泛应用于智能手机、平板电脑、大功率节能LED照明、超薄液晶电视等。石墨烯除了热导率高之外，还具有其他优异的物理化学性能，因此被广泛应用于下游。例如，它具有高导电性，可用于集成电路、导电剂、传感器和锂电池等领域。高功率比，可用作超级电容器和储能元件；柔韧性强，弯曲不影响性能，可作为曲面屏和可穿戴设备的柔性材料；具有高透光率，可用于透明导电膜。石墨烯产品形态包括薄膜和粉末，石墨烯粉末的应用领域包括:(1)锂电池正负极材料导电添加剂，可提高充放电速度和循环性能；

    (2)超级电容器的电极材料具有很强的储能活性和优异的循环性能；(3)特性涂料，作为添加剂掺入防腐涂料、散热涂料和导电涂料中，改善涂料性能；(4)高效催化剂，应用于能源和化工领域。石墨烯 film的应用领域包括:(1)导热薄膜，用作智能手机、平板电脑的散热层；(2)柔性显示，应用于柔性显示屏、可穿戴设备等领域；

    (3)传感器材料，用于可穿戴设备、医疗和环境监测等领域；

    (4)集成电路基础材料，用于超级计算机、高频芯片和精密电子元件等领域。石墨烯的相关研究在1994年开始出现。2004年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功分离出石墨烯并获得2010年诺贝尔物理学奖。近年来石墨烯的研究持续火热，专利数量不断增加，产业化进程也在推进。石墨烯的上游包括石墨等资源、设备和系统，下游应用领域包括导热、导电、柔性显示屏、油墨涂层等。中游有两种产品形态:石墨烯粉和石墨烯膜。石墨烯编制方法可分为“自上而下”和“自下而上”两种方法。“自上而下”法是用剥离法从石墨制备石墨烯层，如机械剥离、氧化还原法、液相剥离等。“自下而上”的方法是通过重新排列碳原子来合成石墨烯，如化学气相沉积、外延生长、有机合成等。目前石墨烯的主流制备方法有氧化还原法、化学气相沉积法、液相剥离法和外延生长法。不同制备方法得到的石墨烯质量和成本差异较大，相应产品的适用领域也不同。在石墨烯的上述四种制备方法中，氧化还原法和化学气相沉积法是最常用的。

     此外，少数企业正在探索应用SiC外延生长法或液相剥离法进行石墨烯量产。中国石墨资源丰富，基础储量约占世界总储量的24%。2016年石墨基础储量达7321.51万吨，其中结晶石墨探明储量达3亿吨。中国的石墨产量也处于世界前列。2017年，中国石墨产量已达78万吨。随着石墨烯的研究进展，很多石墨烯相关产品已经开始准备商业化，石墨烯行业可能进入快速发展阶段，市场也在逐步扩大。预计2021年石墨烯在中国的市场规模将达到1026亿元。