石墨烯材料在小型家用電器設計中的應用研究

楊燕 李津

關鍵詞：石墨烯材料;小型;家用電器設計;設計趨勢

近年來年受大環境影響，我國家庭結構裂變，規模趨小，住房面積擴大，催生家用電器的需求增加，單人家庭及兩人戶的年輕群體成為我國家庭的主要構成部分，因此人們對小家電的依賴程度呈明顯的上升趨勢。新興消費群體對于新材料、新技術的追求也促進了小家電市場迎來機遇性發展，由于各個領域都在不斷融合發展，小家電也在產品功能、外觀設計、智能互聯等方面具備了良好的創新性[1]。隨著人們對家電需求的增大，企業在設計家用電器時在選材用料、外形方面也更加慎重[2]。本文針對石墨烯新材料在小型家用電器設計中的應用趨勢方面做了一系列研究，力圖探究其優勢及發展可能。石墨烯材料是2004 年被英國科學家發現的一種新型納米材料，在多方面都呈現出優異的性能，若將其運用在小型家用電器中會有很大的發展前景。

1 石墨烯材料概述

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp? 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料（如圖1），是碳的二維結構。它的物理結構很簡單，但功能極其豐富。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335 納米，形象來說就是把20 萬片薄膜疊加到一起，只有一根頭發絲那么厚。是一種堅固、輕盈、幾乎透明，具有優質的導熱性和導電性的新型材料[2]。

石墨烯材料在性能方面，尤其在力學方面是目前發現的機械強度最高的材料，它的硬度超過金剛石，斷裂強度達到鋼鐵的100 倍，其導熱性在室溫下略高于石墨和金剛石，優于碳納米管，是Cu、Al 等金屬的數10 倍，石墨烯的導電率比納米碳管更高，是Si 的100 倍，其電阻率比Al、Cu 和Ag 低得多。由石墨烯材料制成的光學調制器具備高速信號傳輸能力，簡單來說，一秒鐘下載一部高清電影指日可待。而石墨烯的抗干擾能力也是其全新的電學屬性。在拉伸性能方面，與金屬相比較延展性更好，可拉伸至自身長度的20%。還具有超強的透光性，懸浮單層石墨烯在較寬波長范圍內的可見光吸收率為2.3%，反射率可忽略不計。

石墨烯的制備方法多種多樣，目前，石墨烯可量產的制備方法主要分為氧化還原法和化學氣相沉淀法（CVD）兩種。其中氧化還原法的原材料為石墨，化學氣相沉淀法的原材料為甲烷、乙炔等含碳氣體。如今的趨勢是生產缺陷極小的高品質石墨烯。而化學氣相沉淀法可以實現高品質石墨烯的生產，所以此方法的使用頻率較高[3]。

2 石墨烯材料在小型家用電器設計中的應用意義

從小型家用電器的角度講，作為能夠提高人們生活質量的產品，讓其更智能、美觀、便捷及安全才能更好地滿足不斷出現的潛在消費需求，這也成為相關企業努力的方向。由此若將石墨烯材料運用在小型家用電器設計中，不僅可以使產品在功能方面具有極大的優勢，還能給人們帶來新的感受。

就其作用和意義來說，將石墨烯材料應用于小型家用電器設計中具有一系列的優勢。其輕盈的特性可以降低家用電器的重量，使之更加便捷，也貼合了小型家用電器所應具備的屬性。由于石墨烯的表面積非常大，所以若應用于小型家用電器，在散熱的性能上將十分優越。還可利用其抗沖擊性制作小型家電保護殼，使其更堅固耐用。石墨烯的強導熱導電性不僅可以用于可加熱電器的電能轉化部分，使其更高效，在可持續設計方面，用于電鍍工藝中也可以節約稀有金屬的使用量。預計在未來10 年，隨著石墨烯應用實現產業化，石墨烯行業也將快速增長[3]。無疑，這對于小家電的設計發展來說具有不可估量的重要意義。

3 石墨烯材料在小型家用電器設計中的應用趨勢

由于我國人口眾多，許多漂泊在外的年輕人大都租房居住。在此趨勢下，小型、多功能、輕便且美觀的小型家用電器逐步進入市場。此外，從產品的設計到被回收的整個過程中，可持續性設計近年來也一直被人們所關注。而石墨烯材料的加入可以在生產、使用的過程中減少能耗，在產品電鍍的過程中節約稀有金屬，提高稀有金屬的使用效率，有效地降低自然資源的消耗，保護生態環境。但目前市面上所售的小家電很少運用石墨烯新材料，這對于幾乎空白的市場無疑是一個巨大的機會。據調查，預計到2025 年，石墨烯材料在多個領域的應用有望實現快速增長，2017—2025 年平均增長率達到72.8%（如圖2）。若將這些領域與小家電行業相結合，對于小型家用電器的設計來說無疑是一個很好的機會[3]。同時，也將為此行業帶來新的趨勢。

3.1 智能化

伴隨著信息時代的到來，智能化設計早已融入了我們的生活，目前如冰箱、洗衣機等家用電器大部分都已經實現了智能化，而小型家用電器的智能化操作還并不是特別的完善。隨著現代人們生活節奏的加快和對未來美好生活的不斷追求，小型家用電器的智能化設計是必然的趨勢，其將帶給我們的是更加簡潔、舒適的生活，無需過多的操作便可實現一些復雜的作業。而石墨烯的加入，可以強化智能電器的一些性能，比如使其更加耐用，其輕薄透明的屬性也可為需要高分辨率顯示器的智能小家電帶來外觀上的優化。在一些智能電子元件中，晶體管是電子學的基礎，其研發趨勢是更小巧和更有效。小型智能家用電器的性能也因此會有質的飛躍。同時，在一些需要傳感器的小家電中，由于石墨烯可使生物分子緊密結合，其結合得越緊密，傳感器的電磁屏蔽效應就越小，從而可以增強傳感器的靈敏度。進而使智能小家電為人們帶來更好的體驗感。

3.2 人性化

工業設計的目的是創造更合理的生存方式。即在人機環境系統中，人的一切活動最優化。最優化的本質之一就是符合人機工程學，這也是人性化設計的原則之一。人性化設計的理念并不是由某個人或組織提出的，而是人類不斷追求的目標。人性化設計也一定是不缺乏功能性的設計，結合小家電設計來說，當今小型家用電器的功能性都已經相對成熟了。隨著大眾對于美好生活的不斷追求，人們對人性化設計的需求也在逐年增加，與此同時，這也是現代家電設計的大趨勢。由于任何家電產品都是為人設計的，所以最終其命運要視與人關系的協調程度而定[4]。小型家用電器亦是如此，石墨烯新材料的加入可以使其進一步接近人性化設計，不僅能使小型家電更加輕巧耐用，也將適用于更多的場景。就車載小家電來說，其出現就是為了方便人們的生活，其本身就是一種人性化設計，而石墨烯的加入可以更加優化其屬性，也更符合人們的理想型設計。比如，石墨烯泡沫和石墨烯氣凝膠是目前最輕、最強的材料，這些材料可以在小型家用電器領域替代其他諸如碳纖維等輕量化材料，使設計更加堅固、輕盈且耐用。從儲能方面來說，石墨烯的加入使可儲能的小型家電的電量儲存能力增強，有效延長其使用時間，減少人為充電的次數，更加貼近人性化設計。

3.3 可持續性

在產品設計中如何平衡性能與環境之間的關系，一直是持久不變的話題，在生產中，提升人們生活質量的同時也耗費了資源與能源，對環境也造成了極大的傷害。近年來地球面臨著巨大的生態危機，人們也有了更強的推動可持續性發展的意識。而家用電器屬于終端用能型產品，隨著在家庭中的普及度逐年上升，以及家用電器種類和數量的不斷增長，總保有量大、涉及使用面廣、能源消耗多、使用周期長等特點日益凸顯[5]。這就更加需要有相對減小損耗，降低環境污染的新材料出現及使用，而石墨烯新材料的運用恰好可以在小型家用電器的生產、使用及回收過程中做到高效且降低能耗，從而降低對環境的污染。此外，所有產品的可持續性設計都對降低能源和資源的消耗有著直接的促進作用。家用電器相較于其他產品來說其能源消耗量相當大，所以設計師應該在可持續性設計中做出更多的努力。小型家用電器相對于普通家用電器來說有“輕、薄、短、小”的特點，這不僅體現在產品的體量上，也體現在產品結構和性能的優化中。綜上所述，將石墨烯材料應用于小型家用電器設計中，能夠更加有效的使小家電在整個生命周期中給環境所帶來的危害減到最小。因此，可持續性是當今時代小型家用電器的重要發展趨勢。

4 結語

石墨烯材料運用在小型家用電器中將大幅度提升產品質量及使用效率，雖然石墨烯目前在生產方面還存在生產成本高、制備難等問題，但隨著科技的進步以及科研人員的不斷研究，石墨烯的制造工藝也在逐步改善，在小型家用電器及各個領域的應用也具有很大前景。不僅在提升小型家用電器使用性能方面有很大的突破，而且有利于可持續發展理念的進一步深入。此類型設計也正朝著智能化、人性化、可持續性的趨勢發展。目前，科技發展飛速，大眾對與使用新材料的產品的接受度也非常高。雖然石墨烯材料以及小型家用電器現在都還處于發展階段，但未來前景可期。