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石墨烯复合材料在下游市场的应用

出处:论文网
时间:2017-09-03

石墨烯复合材料在下游市场的应用

  中图分类号:TH 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)15-0219-02

  1 引言

  自2004年曼彻斯特大学Geim等成功制备出石墨烯以来,因其独特的结构和性能如:透光率达97.7%、导热系数高达5 300W/m?K、常温下其电子迁移率超过15 000cm2/V?s 、电阻率约10-6Ω?cm,,有可能取代硅而成为下一代半导体信息工业的基础材料[1]。石墨烯产业是我国少数几个与世界发达国家步调一致的产业,在某些领域甚至走在世界前列。石墨烯被视为工业味精,也被誉为万能材料,在导电、导热、防腐、电磁屏蔽与吸波、力学增强等领域都具有非常大的应用前景[2]。

  2014年9月,曼彻斯特大学建设了“石墨烯工程创新中心”,加速了石墨烯产品走向市场的进程[3,4]。石墨烯是开启未来的产业,是我国新材料产业的发展契机,将促进我国传统产业升级,抢占制造业新一轮竞争的制高点,在5年至10年内实现产业规模突破1000亿元的飞跃式发展。

  2 石墨烯复合材料

  复合材料(Composite materials),是以一种材料为基体(Matrix),另一种材料为增强体(Reinforcement)组合而成的材料。石墨烯由于自身在力、电、热、光、磁等方面的存在的优异性能,与传统材料进行复合后产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。比如,石墨烯加入到金属基体中可以合成质轻、高强度、高模量的金属基复合材料;加入到导电橡胶、导电塑料、导热塑料等功能高分子复合材料,还可以显著改善复合材料的机械性能;加入到陶瓷基中,可增强其韧性。随着复合材料加工技术以及石墨烯制备方法的发展石墨烯/金属复合材料的研究日益广泛[5-8]。

  3 分类

  目前按照基体的不同,复合材料主要分为以下几类:树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。石墨烯由于其独特的结构和性能,在改善聚合物的热性能、力学性能和电性能等方面具有相当大的应用价值,应用领域包括但不局限于导电导热、防腐、吸波、力学增强等方面。

  (1)石墨烯导电复合材料

  石墨烯最显著的特点之一就是其优异的导电性能,其电导率可达106 S/m,远超过目前己知载流子迁移率最大的半导体材料锑化铟,但面电阻仅为30 Ω/m2左右,性能超过已知最好的导体银或铜(如图1、图2所示)。同其他类型的导电填料相比,独特的二维片层结构使石墨烯具有更大的接触面积,因此在复合材料中更容易形成导电通路,能大幅度降低导电填料的添加量[9]。

  自2006年,Ruoff教授的课题组首次报道了聚苯乙烯/石墨烯导电复合物的制备,便开启了石墨烯导电复合材料研发的序幕。而石墨烯优良的导电性使其能够增强复合材料的电学性能,主要应用领域涉及导电塑料、导电橡胶、导电油墨、防腐涂料、石墨烯透明导电薄膜等方面。

  (a)石墨烯导电橡胶复合材料

  橡胶类可拉伸导体是制备柔性电子器件的重要材料之一,而石墨烯由于具有较高的电导率、径厚比以及较大的表面积,使得石墨烯/橡胶复合材料达到相同电导率所需的填料浓度比其他碳填料低。

  (b)石墨烯导电塑料复合材料

  导电塑料的应用十分广泛,涉及电子、集成电路包装、电磁波屏蔽等领域。而石墨烯由于具有较高的电导率、径厚比以及较大的表面积,使得石墨烯/导电塑料复合材料能够拥有更高的导电率及更少的填料添加量。这对提高导电塑料综合性能及降低行业成本提供了无可比拟的优势。

  (c)石墨烯导电油墨

  石墨烯导电油墨可以应用于印刷线路板、射频识别、显示设备、电极传感器等方面,在有机太阳能电池、印刷电池和超级电容器等领域具有很大的应用潜力。因此石墨烯油墨有望在射频标签、智能包装、薄膜开关、导电线路以及传感器等下一代轻薄、柔性电子产品中得到广泛应用,市场前景巨大。与现有的纳米金属、(如纳米银粉、纳米铜粉等)导电油墨相比,石墨烯油墨还具有巨大的成本优势。

  (2)石墨烯导热复合材料

  石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新型碳纳米材料,厚度仅为0.35 nm。石墨烯自身导热系数达到5300W/mK,是室温下导热最好的材料,不仅比过去常用导热材料银、铜高出不少,甚至超过碳纳米管、石墨碳素材料(如图3所示)。而且它是由sp杂化碳原子紧密排列形成,具有独特的二维周期蜂窝状点阵结构,其结构单元中所存在的稳定碳六元环赋予其优异的热性能,被认为是优秀的热控材料有望成为划时代的散热材料[10]。

  (3)石墨烯防腐涂料

  石墨烯材料除了在防腐涂料方面有着可观的应用前景,其在导电涂料、防污涂料、智能自修复涂料、抑菌涂料、风电涂料等领域也同样有着巨大的研究价值,研究工作正如火如荼地进行着,未来石墨烯材料势必会在涂料行业发挥极大作用,推动高性能多功能涂料快速健康发展。

  (4)石墨烯电磁屏蔽与吸波材料

  在碳系材料中,对碳黑、石墨、碳纤维、碳纳米管等的电磁屏蔽与吸收已有相当广泛的研究与应用。作为一种新型碳材料,石墨烯比碳纳米管更有可能成为一种新型有效的电磁屏蔽或微波吸收材料[11]。

  纳米吸波材料是指由纳米材料组成的吸波材料。材料的成分尺寸在1~100nm之间的吸波材料,主要由“颗粒组元”和“界面组元”组成。在微波辐射下,纳米粒子通过高速运动使电磁能转化为热能从而吸收衰减电磁波[12]。

  目前石墨烯在电磁屏蔽及吸波材料中的应用研究可以分为两大类:一是石墨烯/金属复合材料、二是石墨烯/聚合物复合材料。   (a)石墨烯/金属复合材料

  石墨烯/金属复合材料是石墨烯研究的热点之一,主要包括水/溶剂热法和共沉淀法2种制备方法。

  Zong等通过水热法制备了RGO/CoFe2O4复合材料,避免了化学还原剂的使用,制备工艺和性能检测,在12.4GHz、2.3mm厚度处最大反射损失-47.9dB,有效频宽(低于-10dB)为5GH(z 从12.4 ~17.4GHz),同时具有磁损耗和电损耗,吸波性能得到了良好的提升[13]。

  (b)石墨烯/聚合物复合材料

  由于石墨烯具有优异的物理性能,且制备成本比富勒烯(C60)及碳纳米管低很多,向聚合物基体中引入石墨烯制备纳米复合材料可显著改善材料的综合性能,因此,这种新型纳米材料已成为当今电磁屏蔽研究的热点。

  作为新型吸波剂的石墨烯材料会成为未来应用研究的重点,为我国新型的军事隐形材料起到推动作用,同时一也会在人体及医疗设备的电磁辐射防护等民用方面发挥更大作用。

  (5)石墨烯/金属增强复合材料

  在金属基体中引入均匀弥散的纳米级增强体粒子,所得到的金属基复合材料往往可以具有更理想的力学性能及导电、导热、耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性能。石墨烯具备优异的力学性能、热学性能和电学性能,是制备金属基纳米复合材料最为理想的增强体之一。

  (a)石墨烯增强铝基复合材料

  铝合金具有低密度、高强度和良好的延展性,在航空航天等领域得到了广泛应用。作为结构材料,其强度的提高一直是一项重点课题。而石墨烯纳米片具有高的强度、大的比表面积,将其添加到铝合金中形成石墨烯增强铝基复合材料是提高铝合金强度难题的很有前途的解决方法。

  (b)石墨烯增强镍基复合材料

  镍基复合材料的增强体主要包括SiC、Al2O3、C、B等的长纤维、短纤维、晶须和颗粒,增强相能够起到弥补基体材料缺陷的作用,比如提高镍基复合材料的耐磨性、蠕变稳定性、高温性能等。将石墨烯的高强度、高比模量等特性和镍的耐高温、高强度结合有望制备得到性能优异的新材料。

  (c)石墨烯增强铜基复合材料

  目前颗粒增强铜基复合材料中研究最多的增强体是氧化铝、碳化硅和碳纳米管,而石墨烯作为增强相的研究相对较少,如何实现石墨烯在铜基体中的均匀分散和两相界面的良好结合是研究的重点。

  4 展望

  社会经济的良性发展需要传统产业转型升级、构建竞争新优势的重要支撑。石墨烯作为目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料,集透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等优异性能于一身,是主导未来高科技竞争的超级材料,可极大地推动相关产业快速发展和升级换代,具有广阔的市场前景。

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