石墨烯是什么材料

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石墨烯简介

　　石墨烯，是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体，厚度仅为0.335nm。在 2004 年被从石墨中剥离而发现，获诺贝尔奖。又称为单层石墨，是碳纳米管、富勒烯的同素异形体，优异的碳纳米材料。

　　根据中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准，单层石墨烯指由一层碳原子构成的二维碳材料。石墨烯是由不多于 10 层的单层石墨烯周期性紧密堆积构成。石墨烯材料泛指与石墨烯相关的、不多于 10 个碳原子层的二维碳材料。

　　石墨烯是从石墨材料中剥离出来的二维碳材料，按照碳原子层数可分为单层石墨烯、多层石墨烯及石墨烯微片。其中单层石墨烯是指碳原子仅仅在二维平面以六角蜂巢结构排列构成的严格单层碳材料，是一种没有能隙具有线性能量分布的半导体，由于电子可以在晶体中自由移动而赋予单层石墨烯非常好的导电性。

　　石墨烯是至今发现的厚度最薄和的强度最高的材料。薄是因为石墨烯是由碳原子构成的二维晶体，厚度只有一个原子。虽然薄到极致却非常致密，即使原子尺寸最小的氦也无法穿透它。

　　令人惊讶的是，提取这种神奇的物质并不困难。这两位科学家最初是用透明胶带从石墨晶体上“粘”出一片石墨烯的（再这之前砖家们都认为这东西只是理论上的物质，而且不可能稳定存在）。

　　当然科学界都在关注石墨烯的研究进展。可以想象这种神奇的材料一旦投入实际应用将会给人类社会带来多少革命性的变化

　

　　在力学方面，石墨烯是人类已知最强最高的物质，其杨氏模量达1Tpa，与单壁碳纳米管相当。强度约为180GPa，是普通钢材的100倍。此外，石墨烯还具有良好的韧性，单位面积石墨烯片可承受4kg重量，可见其韧性相当于碳纤维的20倍;在热学方面，石墨烯自身的导热系数达到5300W/mK，是室温下最好的导热材料，导热性能是碳纳米管的1.51倍，是铜的13倍;在电学方面，石墨烯是室温下最好的导电材料，由于其特殊的能带结构使常温下电子运动干扰小，传输质量大幅提高。石墨烯的电学性能突出表现在高载流子迁移率及高电流密度，其载流子迁移率达15000cm2/Vs，相当于商用硅片的10倍。电流密度耐性为2亿A/cm2，相当于铜的100倍。

　　石墨烯产业困顿：1克石墨烯比黄金贵

　　曲屏手机、可发热的壁画、可调节温度的外衣、自动保温的饭盒……在四川省石墨烯产业项目对接会上看到了市场上最新的石墨烯产品。

　

　　然而这些产品似乎还远远没有满足大众与市场的期望。“背靠十几个数十万亿级的市场”，恒力盛泰石墨烯科技有限公司总裁厉楠在会议演讲中这样形容石墨烯产业。

　　自从2010年被成功从石墨中分离出来后，石墨烯以其良好的强度、柔韧、导电、导热及光学特性引发了人们无穷的想象。然而从实验室到市场化，石墨烯产业还面临不少挑战，有业内人士认为石墨烯产业已进入了困顿期。

　　“石墨烯一克比黄金贵。”重庆墨希科技有限公司一位参展工作人员对记者表示。多家参展商也表示石墨烯粉体1克价格在300元以上。来源于碳原子的石墨烯储量十分丰富，为何会比黄金贵？“制备方法与量产是目前石墨烯产业的一大瓶颈。”北京墨希控股集团公司总裁王仲勋对记者表示。

　　据了解，目前石墨烯制备主要有四大主流方法，包括微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀CVD法与氧化石墨还原法。“以CVD法为例，通过甲烷在铜表面反应冷却形成单层石墨烯，再将石墨烯转移。转移的过程就相当麻烦，而且这个设备比较贵，好一点的上千万元。”德阳烯碳科技一位工作人员表示。

　　贵的另一大原因是应用终端并未真正实现市场化。虽然大多数参展企业表示目前已经能够实现量产，达到年产量100吨，甚至300吨。“但真正的市场需求量仍然很小。”王仲勋对记者表示。据他介绍，在科研方面中国与世界几乎同步，但在应用端领域却缺乏有效产品将市场调动起来。

　　

　　图为石墨烯电热地砖

　　我们生产出来了，转过头却发现没有人买，于是又被迫转向下游，生产应用终端，比如可穿戴设备、手机等等。石墨烯行业是一座围城，对资金的需求量相当大。”王仲勋在演讲中表示。

　　为解决科研领域与实际市场应用端的脱节，29日在四川石墨烯产业合作项目对接会上，烯旺新材料科技股份有限公司出资，成立成都石墨烯产业应用技术研究院，对石墨烯应用与产业化提供公共研发孵化平台。

　　同时，“石墨烯+具体产业”也成为发展的另一方向。以恒力盛泰为例，厉楠对记者表示恒力盛泰已研发出一款石墨烯新能源超级跑车。据他介绍，这辆跑车由石墨烯超级电容辅助，车身较普通新能源汽车减轻一倍，车身硬度是钢板的200倍，续航能力提升2至3倍，充电只需5至10分钟，通过石墨烯还改造了车灯、轮胎、天窗、引擎盖等近十项技术。“这款汽车英国威廉王子试驾过，下个月样车会运来中国，第一站到厦门。”厉楠表示。

　　对于此前有公司表示“充电五分钟，驾驶1000公里”的传闻，厉楠称目前还没达到这样的水平，“但充电时间能够控制在20分钟左右了，相信5分钟也很快能够达到。”

　　全球合作或许是石墨烯产业发展的重要路径。据厉楠介绍，参与超级跑车生产的厂商包括加州锂电、Novois、GT&T、Ways等近十家不同国家的研发与生产企业。