石墨烯在當代產(chǎn)品設計中的應用

陳航宇

摘要：石墨烯具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。當然石墨烯在當代手機電子產(chǎn)品、汽車、服裝中的應用也十分的廣泛，不僅解決了不少產(chǎn)品的性能問題，同時把石墨烯運用到產(chǎn)品核心部件中有效的減輕了產(chǎn)品的重量，提高了產(chǎn)品性能和便攜性。

關鍵詞：石墨烯;產(chǎn)品化;工業(yè)化

一、石墨烯的發(fā)展歷史

石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。經(jīng)過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領域已為時不遠了。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性。

我國的石墨烯行業(yè)發(fā)展起步較晚，直至2012年，石墨烯的市場化和產(chǎn)業(yè)化還遠遠沒有出現(xiàn)，更不用談出現(xiàn)什么開創(chuàng)性的專利或者產(chǎn)品。但是，到了2013年，我國的石墨烯研究迎來了春天，專利研究百花齊放。同時，影響到了下游的產(chǎn)品，促使我國的行業(yè)市場急速發(fā)展。之后，僅僅花了兩年，我國趕上了乃至超越了先行的一些國家，和美國日本占據(jù)了石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展?jié)摿η叭弧覍κ╊I域的研究與開發(fā)也較早的就給與了關注。在這些年中，中國國家自然科學基金委員會、科技部、中國科學院等國家機構對石墨烯的發(fā)展做出的投資的政策影響，有著十分正面積極的推動作用。

二、石墨烯對手機電子產(chǎn)品的性能提升

2018年10月23日，三星在其官方微博上預告了石墨烯電池的使用。據(jù)稱，該電池在12分鐘內即可將手機充滿電，而無需使用目前市面上最多的VOOC快充頭。在此之前，華為宣布，華為Mate20X采用了石墨烯液冷散熱技術，通過搭載一層石墨烯散熱膜，手機的急速冷卻性能獲得大幅提升，即便長時間運行高耗能應用，也能讓機身保持“冷靜”。

電子產(chǎn)品的散熱是影響電子產(chǎn)品功耗和壽命的關鍵因素，散熱性不好的電子設備往往在微型化和性能上存在問題，此外，其可靠性也不盡如人意。在過去的幾代智能手機中，手機廠商們主要是通過大面積的金屬背板，附加限制最高的工作溫度來實現(xiàn)手機的溫度控制，然而這與消費者對手機輕量化、高性能的追求是背道而馳的。低維碳納米材料，如石墨烯和碳納米管等，因為其極高的彈性常數(shù)和平均自由程，具有很高的熱傳導率，又因其在高溫下的穩(wěn)定性，可用作高效散熱材料，散熱能力比普通鋁合金高四倍。手機上的揚聲器和耳機都是發(fā)聲器件，發(fā)聲器件是將電信號轉化為聲學信號的電子器件，最早的發(fā)聲器件可以追溯到1877年愛迪生發(fā)明的留聲機。現(xiàn)有的發(fā)聲器件多種多樣，按照工作原理可以分為電磁發(fā)聲、電容發(fā)聲以及壓電發(fā)聲，其工作本質是借助薄膜結構的振動，從而推進空氣波動發(fā)出聲音。基于石墨烯所具備的優(yōu)異熱學性能和輕巧柔性的特點，石墨烯可以被用來制作全柔性超薄透明石墨烯耳機，與當下最流行的AirPods無線入耳式耳機相比，石墨烯耳機不僅具有更好的柔韌性以貼合耳部，還具備生物兼容性，對人體沒有任何負面影響。對于需要長時間佩戴耳機進行工作或通話的某些特定人群，或者是追逐時尚的都市年輕人，甚至是需要助聽器的聽障人士，一款基于石墨烯的全柔性耳機都具有重要的意義。

三、石墨烯在汽車中的應用

石墨烯在汽車領域的應用有儲能器、超級 電容器、鋰離子電池，以及新能源汽車用的 燃料電池發(fā)動機，還有傳感器和復合材料。 我們把這一類復合材料稱為納米復合材料， 比如導電透明的薄膜，手機屏幕用的軟膜。 此外還有導熱、潤滑、電子器件，防腐和電 子屏蔽等，這些都是與汽車領域關聯(lián)度比較 高的應用。

儲能性是石墨烯最有發(fā)展前景的領域，至 少國內是這么認識的，石墨烯電池、石墨烯超 級電容大家一直在討論，這個領域是最熱火 的。全球也好我們也好，有望讓儲能器的容量 密度提高一倍，從一小時的充電時間降到幾分 鐘，這跟新能源汽車密切相關。

燃料電池是新能源汽車一個很重要的方 面，燃料電池鉑氮量一直是電動汽車行業(yè)的難 題，而石墨烯是降低鉑氮量最重要的一個材 料，甚至可以讓石墨烯和一些非貴金屬的催化 劑合作替代鉑。

納米復合材料與輕量化是相關的，也是重點的領域之一。它可以制備又輕質又高強又廉價的材料，石墨烯的價格現(xiàn)在很貴，但是降價速度也很快。石墨烯納米材料的添加狀況和碳纖維完全不同。

四、石墨烯在電子產(chǎn)品中發(fā)展中的前景

如果將手機比作人體，那么電池就像人的消化系統(tǒng)，負責提供能量;顯示屏就像人的外貌;散熱裝置就像人的血液循環(huán);聲學部件就像人的感官系統(tǒng);處理器則相當于人的大腦，是最為核心的元件。

目前，硅作為信息技術和能源兩個重大領域的龍頭材料，至今仍然發(fā)揮著無可替代的作用。基于單晶硅的集成電路芯片是當今高科技產(chǎn)業(yè)的基礎。隨著“摩爾定律”無法再適用于目前硅基晶體管器件的更迭，人們在全力尋找可以替代它的新材料。碳元素作為元素周期表中硅的同族元素，具有與硅相媲美或者更勝一籌的性能，石墨烯的出現(xiàn)，一度被認為是電子信息技術領域的“救世主”，是續(xù)寫“摩爾定律”的不二人選。

目前，硅基處理器再創(chuàng)新高，工藝技術突破至7納米。碳材料已經(jīng)可以在實驗室中實現(xiàn)1納米的處理器。當然，這一技術從實驗室走到生產(chǎn)線上還存在很大的距離，但是可以預見未來將有手機搭載碳基處理器的那一天。

毫無疑問，這些石墨烯“黑科技”離我們日常生活的距離已經(jīng)越來越近，僅在一臺智能手機上，便有如此多的潛在應用空間。相信在不遠的未來，它會走進我們的生活，融入我們的生活。

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