石墨烯復合材料應用最新研究進展

程揚帆

（湖北科技學院，湖北 咸寧，437000）

1 石墨烯復合材料及其應用前景

1.1 定義與特性

石墨烯被稱為“單層石墨片”。它是一種二維的結構，密集的碳原子與石墨的單原子層十分類似，是一種新型碳材料。石墨烯的多種優點造就它多種用途，比如它的比表面積大，可以用于吸附和環境治理；機械強度高可以用于航空航天等；載流子遷移率高可以用于半導體與電容等設備。應用的環境非常廣泛，隨著石墨烯新型材料國內外發展，石墨烯不但可以顯著提升傳統產業，還可以為高端制造業的發展提供推力。

1.2 國內外石墨烯復合材料發展趨勢及應用前景

目前，世界上有很多關于石墨烯的討論。2012年，有近2萬篇關于石墨烯研究的論文被納入科學研究。中國和美國是前兩個國家。與此同時，其他國家也積極參與石墨烯相關專利申請的布局。截至2013年6月，它已申請了3,000多項相關發明專利。從2006-2017年，國內和國際研究呈上升趨勢。在“十一五”期間，石墨烯復合技術的發展還處于起步階段，國內外研究的數量相對較少。在“十二五”期間，國外開展了研究，主要集中在石墨烯的制備和化合物的研究上。隨后，石墨烯復合材料的研究進入了快速發展階段。在過去兩年中，研究數量已超過以前的總數。其中，國外研究數量急劇增加，工業化進程不斷推進，國內則在重點領域不斷擴展提升。

由于石墨烯的重要特性和巨大應用價值，全球多個國家將其定義到發展戰略高度。比如亞太地區的日本和中國，美國、以及歐洲歐盟等區域國家。這其中不少國家投入的研究和開發金額達到十億美元，專門用來研究用于石墨烯材料。美國科技發展戰略同樣包括石墨烯技術。各國企業也積極進行石墨烯產業的布局，相關開發和研究涉及多家公司，像比如洛克希德·馬丁、波音、三星、IBM、杜邦、陶氏化學、索尼等巨頭均在公司名單中[1]。

2 石墨烯復合材料國內外應用進展

由于石墨烯具有多種獨特的優點，將它作為復合材料的填充相，就可以增強材料的相應性能，這就為它的應用提供了多種方向。比如國內外相關研究應用于能量儲存、液晶器件、電子器件，而在其他領域比如生物材料、傳感材料和催化劑載體等也有較多的報道。隨著對石墨烯復合材料研究的不斷深入，它應用也越來越受到人們的重視。

2.1 石墨烯儲能復合材料應用

鋰電池是當前用途最廣泛的電池能源，鋰電池整體性能提升的關鍵是開發新的電極材料。石墨烯作為一種新型碳質材料，加入到鋰離子電池中能夠大幅提高其導電性，因為它為鋰離子電池解決了兩個問題，大幅度提高能量密度與大幅度提高功率密度。相對應的，石墨烯就可以作為電池導電的添加劑了。國內也有報道將它作為復合電極材料的正負極[2]。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所劉兆平團隊利用石墨烯構建了一種覆蓋磷酸鐵鋰納米粒子的高效三維導電網絡，大大提高了磷酸鐵鋰正極材料的電化學性能。該項目已在寧波艾能鋰電料科技有限公司試線。此外，清華大學康飛宇教授團隊和鴻納 (東莞)新材料科技有限公司開發了石墨烯作為鋰離子電池的導電助劑，已小批量使用[3]。

美國加州大學的研究人員發明了一種微型超級電容器，它使用的記錄儀可以在幾秒鐘內為手機或汽車充電。其充放電速度比標準電池快100～1000倍。原理是盤上的氧化石墨烯可以在激光照射下被還原和剝離，因此可以用在電容器或可充電電池中。Nanoek Instruments還開發了基于石墨烯的超級電容器。將電極與石墨烯和5%（質量分數）乙炔黑混合，當電解質通過卷曲和彎曲的石墨烯片結構時，它可以以大比例與石墨烯的表面接觸，從而提高能量儲存能力，該超級電容器室溫下能量密度可以大幅提高。

2.2 石墨烯導熱、散熱復合材料應用

目前，市場上電子產品的散熱主要是石墨導熱散熱片，蘋果、三星、國產小米手機等的散熱片均為石墨制成。石墨烯制備的散熱膜性能要遠大于石墨片，其多層片狀結構在散熱時可使局部熱點溫度通過特性結構氣流快速散去，氣溫明顯下降。美國對于此項研究做測試，并將普通碳納米管作為對比，單層石墨烯的導熱系數一般在5300W/m·K，相較于納米管的3000W/m·K，導熱系數的提升，是非常明顯的。

我國對于散熱方面的研究也在進行，比如貴州新碳高科有限責任公司推出柔性石墨烯散熱薄膜。基本核心仍然是石墨烯微片層狀結構，它的主要原料是石墨烯粉末，將其制作為石墨烯溶液，結合輥對輥技術，即產生取向性形態，還原條件為特定高溫氣氛，熱導率可以達到kW/m·K。相比較于常用的金屬散熱，其散熱效果提高3倍左右，并具有良好的可加工性能。這種產品已經有小批量生產，通常薄膜厚度在25μm左右，對于生活中只能屏幕比如電腦和顯示器，散熱效果大幅度提高。

2.3 石墨烯導電復合材料應用

石墨烯能夠提供穩定結構注定具有優異的導電性能，再結合高比表面積的特點，因此提出一種研究，將材料均勻的加入聚合物中，有效點狀網絡結構即可形成，石墨烯復合材料的高導電性能即可實現。國內有相關研究制出復合材料導電率超過3000S/m。材料質量輕是這種材料的主要特點，此外還有合成容易與電導率廣且容易調控的特點。目前針對導電材料國內研究著主要集中在電極、電磁波屏蔽、隱身、傳感器等方面，其他可應用于新能源領域，對于輔助交通運輸和一些廠商制作電子器件等領域也有很好的應用。

美國Vorbeck Materials公司開發出了石墨烯導電添加劑。其中天然橡膠添加4%后，產品的導電性能達到顯著提升。廈門凱納石墨烯技術有限公司開發了類似產品，聚碳酸酯中添加10%石墨烯微片，體積電阻103Ω·cm，達到導電級別 ；與添加10%價格昂貴的超導炭黑性能相當，而石墨烯微片成本則更低。此外，美國XG Science公司也提供各種規格的石墨烯導電微片產品。

2.4 石墨烯復合材料在環境領域的應用

在環境治理中，對催化降解水和空氣的污染物研究較多，它不但具有清潔、無污染特性，還具有溫度低，利用太陽能的特點。相較于一些常規光催化劑，如TiO2、ZnO等光催化活性低。采用石墨烯與催化劑復合材料使得可見光利用度提升，相應催化劑活性提升，在污水中污物的處理應用和空氣中污染物處理應用可以很好的控制環境污染。

同樣的比如電催化領域，難降解污染物相對更多采用電催化。反應過程中催化速率極快，保證速率的同時還能以溫和的反應條件進行，這過程還不產生副產物?，F階段國內外應用于三維電極體系中的研究已逐漸開展，研究內容主要是三維電極體系中新型粒子電極的制備，用到的特殊材料即石墨烯復合材料。

2.5 石墨烯復合材料在其他領域的應用

石墨烯復合材料在其他領域也有很多應用，如人造骨關節耐磨層的應用、防彈衣中的應用，奧地利一家公司甚至推出石墨烯增強網球拍，這種例子非常多。歐洲會利用石墨烯制作有特性的加強塑料和拉伸塑料。再比如應用石墨烯替代現有的吸波材料，對電磁場實現保護的同時實現材料的減重。

3 結語

綜上所述，石墨烯復合材料在國內外多功能多領域已經逐步展開，從材料的制備到應用的研究等。我國仍處于產業化研發階段，隨著下游產業對石墨烯復合材料需求的增加，產業的進程會更快的發展，石墨烯材料產業的大門正逐步打開。我們要從多個方面提升，更便捷低價的材料、更易制備的技術、更成熟實用的應用場景，一定會使我們在該領域更進一步。