第一篇：石墨烯相變材料論文

石墨烯相變材料的研究

摘要：隨著熱管理及熱存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)熱技術(shù)逐漸扮演著越來(lái)越重要的角色，于此同時(shí)尋找高性能的儲(chǔ)熱材料也成為了研究熱潮。近年來(lái)，相變材料的發(fā)展為儲(chǔ)熱技術(shù)帶來(lái)了福音，相比于其他熱導(dǎo)率低，儲(chǔ)熱性能差的儲(chǔ)熱材料，相變材料有著天然的優(yōu)勢(shì)。而在相變材料中，石墨烯相變材料是如今發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)熱性能最優(yōu)異的相變材料，通過(guò)將石墨烯作為填充材料，相變材料的儲(chǔ)熱能力大大提升。

關(guān)鍵詞： 熱存儲(chǔ) 相變材料 儲(chǔ)熱材料 石墨烯 前言：

在熱能的存儲(chǔ)和利用過(guò)程中，常常存在于在供求之間在時(shí)間上和空間上不匹配的矛盾，如太陽(yáng)能的間歇性，電力負(fù)荷的峰谷差，周期性工作的大功率器件的散熱和工業(yè)余熱利用等。相變儲(chǔ)能材料通過(guò)材料相變時(shí)吸收或釋放大量熱量實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和利用，可有效解決能量供求在時(shí)間和空間上不匹配的矛盾。因此，相變儲(chǔ)能技術(shù)被廣泛應(yīng)用于具有間歇性或不穩(wěn)定性的熱管理領(lǐng)域，如航空航天大功率器件的管理，周期性間歇式電子工作器件的散熱，太陽(yáng)能利用，電力的“移峰填谷”，工業(yè)廢熱余熱的回收利用，民用建筑的采暖及空調(diào)的節(jié)能領(lǐng)域等。近年來(lái)，相變儲(chǔ)能技術(shù)成為能源科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分活躍的前沿研究方向。

相變儲(chǔ)能材料具有儲(chǔ)能密度大儲(chǔ)能釋能過(guò)程近似恒溫的特點(diǎn)。但多數(shù)相變儲(chǔ)能材料存在熱導(dǎo)率低，換熱性能差等缺點(diǎn)。采用具有高導(dǎo)熱，低密度，耐腐蝕和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)的碳材料對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化傳熱，可有效提高系統(tǒng)換熱效率。常用的固-液定型相變儲(chǔ)能材料實(shí)際上是一類復(fù)合相變材料，主要是由兩種成分組成：一是工作物質(zhì)；二是載體基質(zhì)。工作物質(zhì)利用它的固-液相變進(jìn)行儲(chǔ)能工作物質(zhì)可以是各種相變材料，如石蠟，硬脂酸，水合鹽，無(wú)機(jī)鹽和金屬及其合金材料。載體基質(zhì)主要是用來(lái)保證相變材料的不流動(dòng)性和可加工性，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化傳熱。

石墨烯是一種新型碳材料，它具有由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀緊密堆積結(jié)構(gòu)。它是構(gòu)建其他維度炭質(zhì)材料的基本單元。石墨烯本身具有非常高的導(dǎo)熱系數(shù)，并兼具密度小，膨脹系數(shù)低和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)有望成為一種理想型散熱材料。將石墨烯作為強(qiáng)化傳熱載體，有可能克服單一相變材料熱導(dǎo)率低的缺點(diǎn)，縮短復(fù)合體系熱響應(yīng)時(shí)間，提高換熱效率實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料傳熱和儲(chǔ)熱一體化。

本文通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)以及親自做實(shí)驗(yàn)得出了一些數(shù)據(jù)和結(jié)論。正文

1.根據(jù)同濟(jì)大學(xué)田勝力、張東、肖德炎、向陽(yáng)等人2006年在《材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用》上發(fā)表的文章，他們對(duì)脂肪酸相變儲(chǔ)能材料的熱循環(huán)行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究試驗(yàn)。試驗(yàn)選用了化學(xué)純的癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕櫚酸等四種脂肪酸為研究對(duì)象，利用差示掃描量熱技術(shù)（DSC）測(cè)定了經(jīng)過(guò)56次、112次、200次和400次反復(fù)熱循環(huán)的相變材料的融化溫度和融化潛熱，加速熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果顯示：癸酸融化溫度范圍變窄了4℃左右，肉豆蔻酸融化溫度范圍變寬了3℃左右，月桂酸和棕櫚酸的融化溫度范圍變化不明顯，其中以棕櫚酸的融化溫度變化最小。隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，相變材料的融化初始溫度和融化潛熱變化較小，且是沒(méi)有規(guī)律的。在400次左右的熱循環(huán)范圍內(nèi)，這些脂肪酸具有較好的熱穩(wěn)定性，有作為潛熱儲(chǔ)存材料的應(yīng)用潛力。且此四種脂肪酸的融化溫度在30℃到60℃之間，適于用作綠色建筑材料及其他室溫范圍內(nèi)的潛熱儲(chǔ)存過(guò)程。考慮到相變材料的使用時(shí)間可能更長(zhǎng)，因此要測(cè)試以上脂肪酸長(zhǎng)期作為潛熱儲(chǔ)存材料的穩(wěn)定性和可行性，需要更多次數(shù)的加速熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。而Ahmet Sari在研究純度為工業(yè)級(jí)的月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸是發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)1200次熱循環(huán)后，這些脂肪酸的融化溫度均逐漸降低，降低最大值為6.78℃，并且，脂肪酸的融化溫度變寬了。這與上文實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所出入，可能是由于脂肪酸原材料的純度和產(chǎn)地不同造成的。因此，原料的選取對(duì)材料的性能有很大影響。

2.2012年1月20日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的黃富強(qiáng)等人申請(qǐng)了他們的最新專利：三維石墨烯/相變儲(chǔ)能復(fù)合材料及其制備方法。三維石墨烯/相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的特征在于石墨烯與相變儲(chǔ)能材料原位復(fù)合，其中以具有三維結(jié)構(gòu)的多孔石墨烯作為導(dǎo)熱體和復(fù)合模板，以固-液相變的有機(jī)材料作為儲(chǔ)能材料和填充劑?？梢圆捎眉婢咔婧推矫嫣攸c(diǎn)的泡沫金屬作為生長(zhǎng)基體，利用CVD方法制備出具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泡沫狀石墨烯材料。通過(guò)該方法制備的石墨烯材料完整的復(fù)制了泡沫金屬的結(jié)構(gòu)，石墨烯以無(wú)縫連接的方式構(gòu)成一個(gè)全連通的整體，具有優(yōu)異的電荷傳導(dǎo)能力，巨大的比表面積，孔隙率和極低密度。并且，這種方法可控性好，易于放大，通過(guò)改變工藝條件可以調(diào)控石墨烯的平均層數(shù)，石墨烯網(wǎng)絡(luò)的比表面積，密度和導(dǎo)電性。以金屬模板CVD法制備的三維石墨烯泡沫具有豐富的孔結(jié)構(gòu)特征，其比表面積高，孔壁孔腔高度連通，為基體材料提供可復(fù)合填充的空間。若將三維多孔石墨烯和相變材料復(fù)合，相變儲(chǔ)能材料被分隔在各個(gè)孔腔，與石墨烯壁緊密結(jié)合，有效熱接觸面積大幅度提高，高度連通的石墨烯三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)通道將快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)換熱。另一方面多孔石墨烯的毛細(xì)吸附力將液態(tài)相變儲(chǔ)能材料局域化，可有效防止?jié)B透。

3.2012年6月來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院能源轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海硅酸鹽研究所的周雅娟，黃富強(qiáng)等人發(fā)表了一篇名為太陽(yáng)能材料和太陽(yáng)能電池的論文，這篇論文重點(diǎn)講解了他們最新研制出的一種由石墨烯三維氣凝膠（GA）和硬脂酸（OA）組成的相變材料。GA是通過(guò)石墨烯氧化物在熱水表面反應(yīng)制得，三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)的空隙尺寸只有幾微米而且薄壁墻是石墨烯片層堆積而成，OA通過(guò)GA的毛細(xì)管力牽引下進(jìn)入到GA中。GA/OA復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性達(dá)到了2.635W/mk，是OA的14倍。GA/OA復(fù)合材料的短暫升溫和冷卻過(guò)程是在為熱能量存儲(chǔ)做準(zhǔn)備。GA是一種低密度材料因此在復(fù)合材料中僅占15%的比重，這種復(fù)合材料能夠大大減少或消除材料內(nèi)部的熱電阻，表現(xiàn)出一種高儲(chǔ)熱的能力，達(dá)到181.8J/g，與獨(dú)立的OA材料非常接近，研究中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)相變材料的熱儲(chǔ)存能力都較低，為了提高材料的熱傳遞能力，金屬泡沫添加劑進(jìn)入了專家們的視野，然而他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)金屬泡沫添加劑與原材料不兼容。經(jīng)過(guò)數(shù)次實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，石墨烯材料具有很好的熱穩(wěn)定性和熱傳遞能力，并且與原材料兼容。由石墨烯片層組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在相變材料領(lǐng)域有著巨大的潛力。

4.來(lái)自于浙江杭州輻射研究所的邢芳，李悟凡等人發(fā)表了關(guān)于烷烴類相變材料的文章。烷烴及其混合物由于自身的中低溫度熱能量?jī)?chǔ)存能力已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于相變材料中。在這些烷烴中，熔化溫度為37度的二十烷已經(jīng)出現(xiàn)在諸如電子領(lǐng)域的基于能量?jī)?chǔ)存的被動(dòng)熱管理技術(shù)中。為了提高二十烷的熱導(dǎo)性，將石墨烯納米片添加進(jìn)二十烷這個(gè)課題正在試驗(yàn)中。這種復(fù)合相變材料是將石墨烯納米片均勻分布在液體的二十烷中。通過(guò)掃描量熱計(jì)測(cè)量它的熱融合和融化點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)在10度的時(shí)候熱傳導(dǎo)能力整整增加了4倍，這表明石墨烯納米片相對(duì)于傳統(tǒng)的一些填充來(lái)說(shuō)有著更好的表現(xiàn)。石墨烯納米片的兩維平面形態(tài)降低了熱表電阻，這也是為什么它效果這么好的原因。擴(kuò)大的石墨烯片層有著高導(dǎo)電性和低密度性，能有效地增強(qiáng)相變材料的熱性能。

5.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的田勝力、張東、肖德炎等人利用多孔石墨的毛細(xì)管作用吸附硬脂酸丁酯制成了一種定形相變材料的相變溫度、相變潛熱和熱穩(wěn)定性，得出硬脂酸丁酯含量的臨界值。研究表明，硬脂酸丁酯與納米多孔石墨形成的定形相變材料相變溫度合適、相變潛熱較大、熱穩(wěn)定性好，是適合于在建筑墻體中使用的相變材料。對(duì)不同含量的硬脂酸丁酯/多孔石墨復(fù)合材料利用差熱掃描儀進(jìn)行DSC測(cè)試顯示，相變復(fù)合材料的峰值溫度為26℃，與純硬脂酸丁酯的熔點(diǎn)相同，即定形相變材料的熔點(diǎn)不變，為硬脂酸丁酯的熔點(diǎn)。定形材料的潛熱隨硬脂酸丁酯含量的變化而變化，硬脂酸丁酯含量越高，定形相變材料的相變潛熱越大，近似呈線性關(guān)系。此定形相變材料的蓄熱性能、均勻性和熱穩(wěn)定性好，具有較大的相變潛熱，其相變溫度在26℃，適合做室溫相變材料，有助于建筑節(jié)能。此定形相變材料中硬脂酸丁酯的含量又一個(gè)滲出臨界值，當(dāng)硬脂酸丁酯質(zhì)量含量達(dá)到90%時(shí)，有細(xì)微滲出，使用時(shí)建議把含量控制在85%以內(nèi)。這種定形相變材料在經(jīng)過(guò)多次熱循環(huán)之后其相變潛熱變化較小，具有良好的熱穩(wěn)定性。因此，硬脂酸丁酯/多孔石墨相變材料是較好的可應(yīng)用于建筑墻體的相變材料。

6.2013年，新鄉(xiāng)學(xué)院能源與燃料研究所的周建偉等人以氧化石墨烯為基質(zhì)、硬脂酸為儲(chǔ)熱介質(zhì)用液相插層法成功制備了硬脂酸/氧化石墨烯相變復(fù)合材料。其中以氧化石墨烯維持材料的形狀、力學(xué)性能，把硬脂酸嵌在片層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯基質(zhì)中，通過(guò)相變吸收和釋放能量，提高其儲(chǔ)熱、導(dǎo)熱性能和循環(huán)性能。該相變材料具有適宜的相變溫度和較高的相變潛熱，相變材料與基質(zhì)具有較好的相容性，在相變過(guò)程中沒(méi)有液體泄漏現(xiàn)象，復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料儲(chǔ)/放熱時(shí)間比硬脂酸減少，且熱穩(wěn)定性良好。實(shí)驗(yàn)表明，硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的硬脂酸/氧化石墨烯復(fù)合相變材料的相變溫度為67.9℃，相變潛熱為289.2J/g。經(jīng)過(guò)連續(xù)冷熱循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合相變材料的儲(chǔ)熱/放熱時(shí)間比純硬脂酸縮短，相變溫度和相變潛熱變化較小，表明硬脂酸/氧化石墨烯復(fù)合相變材料具有良好的熱穩(wěn)定性和兼容性。因此，通過(guò)此方法一方面將硬脂酸局限在片層結(jié)構(gòu)中，解決了相變過(guò)程中的滲出泄露問(wèn)題；另一方面，利用氧化石墨烯良好的熱傳導(dǎo)性提高復(fù)合相變材料的傳熱效率，彌補(bǔ)了硬脂酸在導(dǎo)熱、換熱方面的缺陷。

7.2013年10月12日到10月16日，在上海舉辦的中國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)上，四川大學(xué)高分子材料科學(xué)與工程學(xué)院亓國(guó)強(qiáng)等人提出了他們的最新成果：聚乙二醇/氧化石墨烯定型相變儲(chǔ)能材料的制備與性能研究，研究發(fā)現(xiàn)聚乙二醇（PEG）是一種性能優(yōu)良的固-液相變儲(chǔ)能材料。相變過(guò)程中會(huì)發(fā)生熔體流動(dòng)泄露，故需要對(duì)其進(jìn)行封裝，但封裝又會(huì)降低其熱導(dǎo)率，影響工作效率，增加成本。因而加入另一種物質(zhì)作為支撐定型材料，制備復(fù)合定型相變材料成為另一種選擇。但通常過(guò)高的添加量會(huì)嚴(yán)重影響材料的儲(chǔ)能性能。于是通過(guò)向 PEG 中加入氧化石墨烯（GO）作為定型支撐材料，用溶液共混法在 GO 含量?jī)H為 8%時(shí)成功制備了 PEG/GO 定型相變儲(chǔ)能材料。該材料在超過(guò)熔點(diǎn)一倍時(shí)仍保持形狀穩(wěn)定。GO 的加入對(duì)相變材料熔點(diǎn)基本沒(méi)有影響，但在低含量下促進(jìn)結(jié)晶，當(dāng)含量高于 4wt%時(shí)阻礙結(jié)晶的進(jìn)行。相變潛熱隨 GO 含量的提升有所下降，但在能維持材料定型的最低含量（8wt%）時(shí)，仍高達(dá) 135 J/g，可以有效應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域。該材料在經(jīng)歷 200 次升降溫循環(huán)后，相變溫度和相變潛熱變化不大，較穩(wěn)定，具有良好的可重復(fù)使用性。

8.遠(yuǎn)在大洋彼岸，來(lái)自于加州大學(xué)河濱分校，加利福尼亞大學(xué)的Pradyumna Goli, Stanislav Legedza, Aditya Dhar 等人一直在進(jìn)行關(guān)于鋰電池的研究。鋰電池在在移動(dòng)通訊和交通動(dòng)力中扮演著重要角色，但是由于其自身的自加熱作用使得使用壽命大大縮短，為了解決這一問(wèn)題，學(xué)者們經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋰電池的可靠性通過(guò)將石墨烯作為填充材料能夠大大的改善。傳統(tǒng)的熱管理電池由于其相位只在一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi)變化，減小了電池內(nèi)溫度的上升，故只能依賴于潛在的儲(chǔ)熱能。而將石墨烯摻入碳?xì)浠衔锵嘧儾牧现锌梢詫⑵鋵?dǎo)電能力提高到原來(lái)的兩個(gè)數(shù)量級(jí)倍，同時(shí)還保持潛儲(chǔ)熱能力。顯熱-潛熱相結(jié)合的熱傳導(dǎo)組合能夠大大地減少鋰電池內(nèi)部溫度的上升。儲(chǔ)熱-熱傳導(dǎo)的方法即將在鋰電池和其他類型電池的熱管理領(lǐng)域引領(lǐng)一場(chǎng)變革。

9.2008年4月24日來(lái)自于首爾崇實(shí)大學(xué)工學(xué)院建筑系的Sumin Kim a, Lawrence T.Drzal b等人研制出了一種具有高導(dǎo)電性和高儲(chǔ)熱能力的相變材料。使用剝離的石墨烯納米片，石墨烯相變材料可以提高在液晶中的高導(dǎo)電性，熱穩(wěn)定性以及潛儲(chǔ)熱能力。在掃描電子顯微鏡顯示下，石墨烯相變材料均勻分布在液晶中，而良好的均勻分布意味著高導(dǎo)電能力。石墨烯復(fù)合相變材料的熱穩(wěn)定能力在石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幫助下得到提升。而且，由于相變材料的電熱穩(wěn)定性，石墨烯復(fù)合相變材料具備了可持續(xù)再生能力。石墨烯相變復(fù)合材料在差示掃描熱量法的熱曲線中有兩個(gè)峰，第一次在固-固過(guò)渡階段，溫度較低，峰顯示為35.1度；第二次是固-液相變階段時(shí)溫度較高，峰顯示為55.1度。石墨烯可以在保有其潛儲(chǔ)熱能力的情況下提高材料的熱穩(wěn)定性。相變材料具有高儲(chǔ)熱，低成本，無(wú)毒和無(wú)腐蝕性等特點(diǎn)而具有美好的前景。最近，一些無(wú)機(jī)，有機(jī)以及它們的混合物正在被應(yīng)用于相變材料中，成為熱門的研究課題。

10.Fazel Yavari等人在2011年也就石墨烯作為改性添加劑改良十八醇相變材料在《Physical chemistry》上發(fā)表了文章。和很多有機(jī)相變材料一樣，十八醇也具有熱導(dǎo)率低，換熱性能差，以及存在泄漏問(wèn)題等缺點(diǎn)。Fazel Yavari等人的研究表明，由于石墨烯低密度、高導(dǎo)熱的特點(diǎn)，添加很低含量的石墨烯，就可以達(dá)到顯著提高熱導(dǎo)率、改良十八醇的目的。然而由于部分相變材料分子被限制在石墨烯層間空隙中，在工作溫度范圍并沒(méi)有發(fā)生相變，從而使加入石墨烯后的復(fù)合材料的相變焓低于原相變材料，造成儲(chǔ)熱能力的損失。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)石墨烯含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)到4%時(shí)，材料的熱導(dǎo)率增加到原來(lái)的2.5倍，此時(shí)其相變焓只降低了15.4%。而如果用銀納米線代替石墨烯，要達(dá)到同等的熱導(dǎo)率，需要使其含量達(dá)到45%，并帶來(lái)高達(dá)50%的相變焓損失。綜合實(shí)驗(yàn)表明，相比于其它微型添加材料，石墨烯能在不造成明顯儲(chǔ)熱損失的前提下明顯改良有機(jī)相變材料的熱性能，為通過(guò)潛熱的儲(chǔ)存/釋放實(shí)現(xiàn)熱管理和熱保護(hù)提供了新的可行性方案。

11.Jia-Nan Shi ,Ming-Der Ger等人2013年在期刊《CARBON》上發(fā)表文章，闡述了有關(guān)石墨烯提高石蠟導(dǎo)熱系數(shù)的研究成果。實(shí)驗(yàn)另辟蹊徑，對(duì)比了剝離石墨薄片和石墨烯作為改性添加劑對(duì)于石蠟相變材料的不同影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剝離石墨薄片帶來(lái)的熱導(dǎo)率增量更高，石墨含量為10%的石蠟/石墨薄片復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為純石蠟的十余倍。石墨烯表現(xiàn)出了極好的導(dǎo)電性，石蠟/石墨烯的電導(dǎo)率要遠(yuǎn)高于石蠟/石墨薄片，但是其熱導(dǎo)率的增量比石墨薄片小。原因在于，雖然單層石墨烯熱導(dǎo)率極高，但是石墨烯片層間微小空隙內(nèi)存在的大量界面嚴(yán)重阻礙了熱傳導(dǎo)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，石墨烯在定形方面的作用要遠(yuǎn)過(guò)于石墨薄片。石墨含量2%的石蠟/石墨烯相變復(fù)合材料中，石蠟?zāi)茉?85.2℃高溫下保持形態(tài)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了石蠟相變的溫度范圍。而石蠟/石墨薄片復(fù)合材料中石蠟只能保持形態(tài)到67.0℃。少量的石墨烯和剝離石墨薄片都能作為低成本、高效率的改性添加劑應(yīng)用于石蠟相變材料的導(dǎo)熱和定形方面的改良。

12.馬來(lái)西亞的Mohammad Mehrali等人對(duì)石蠟/石墨烯相變復(fù)合材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和測(cè)試。該項(xiàng)目應(yīng)用了SEM、FT-IR、TGA、DSC等設(shè)備對(duì)制得的石蠟/石墨烯復(fù)合材料的材料特性和熱學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。所測(cè)試的石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.3%的樣品在相變過(guò)程中無(wú)泄漏現(xiàn)象發(fā)生，為定形相變材料。SEM圖像顯示石蠟嵌入了石墨烯片層間的孔隙。FT-IR分析結(jié)果顯示石蠟與石墨烯之間沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。試驗(yàn)進(jìn)行了2500次熔化/凝固熱循環(huán)檢測(cè)來(lái)確認(rèn)其熱可靠性和化學(xué)穩(wěn)定性。TGA測(cè)試結(jié)果顯示，氧化石墨烯增強(qiáng)了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。該相變復(fù)合材料的熱導(dǎo)率從0.305(W/mk)顯著提升到0.985(W/mk)。測(cè)試結(jié)果表明，石蠟/氧化石墨烯復(fù)合材料具有良好的熱學(xué)性能、熱可靠性、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性，很適合做熱管理和熱儲(chǔ)存材料。總結(jié)：

相變儲(chǔ)能材料，通過(guò)材料相變時(shí)吸收或釋放大量熱量實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和利用，以其巨大的相變潛熱，在未來(lái)的能源利用和熱管理領(lǐng)域具有很廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用價(jià)值。而大多數(shù)相變材料存在的導(dǎo)熱率抵、換熱性能差、相變過(guò)程發(fā)生泄漏等缺陷使其很難直接被應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。因此，需要一種改性填充材料來(lái)增加相變材料的導(dǎo)熱換熱性能，同時(shí)需要對(duì)相變材料進(jìn)行定形和封裝。而石墨烯材料的發(fā)現(xiàn)和研究成果的公布，給相變材料的研究和應(yīng)用指明了道路。一方面，石墨烯的高導(dǎo)熱性能很好地改善了相變材料的熱性能，同時(shí)，其良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱學(xué)可靠性使其作為改性添加劑不與相變材料本體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；另一方面，低密度、高強(qiáng)度的石墨烯結(jié)構(gòu)能夠使復(fù)合材料在較低石墨烯含量下就達(dá)到所要求的定形效果，因此，相比其他改性添加劑，石墨烯對(duì)相變材料的相變溫度、相變潛熱和儲(chǔ)熱能力的減益效果要小得多。正是從這兩方面出發(fā)，石墨烯作為導(dǎo)熱定形的改性材料，在相變儲(chǔ)能材料領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。大量實(shí)驗(yàn)采用了以相變材料作為工作物質(zhì)，通過(guò)其相變過(guò)程儲(chǔ)/放熱，同時(shí)以石墨烯作為載體基質(zhì)，增加材料導(dǎo)熱性能和不流動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)思路進(jìn)行相變導(dǎo)熱材料的設(shè)計(jì)、制備和改良。相信隨著對(duì)石墨烯研究的深入和石墨烯制備工藝的進(jìn)步，石墨烯會(huì)以更突出的性能改良相變材料，從而獲得更有實(shí)踐和應(yīng)用價(jià)值的石墨烯/相變復(fù)合儲(chǔ)能材料，為能源可持續(xù)和熱管理領(lǐng)域帶來(lái)更大的發(fā)展，為人類創(chuàng)造出更科學(xué)、更環(huán)保、更舒適的生活環(huán)境。

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第二篇：石墨烯納米材料論文

石墨烯納米材料 摘要：

石墨烯是繼富勒烯、碳納米管之后發(fā)現(xiàn)的一種具有二維平面結(jié)構(gòu)的碳納米材料,它自2004年發(fā)現(xiàn)被以來(lái)，成為凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)等領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體, 它是構(gòu)筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等sp2 雜化碳的基本結(jié)構(gòu)單元, 具有很多奇異的電子及機(jī)械性能。因而吸引了化學(xué)、材料等其他領(lǐng)域科學(xué)家的高度關(guān)注。本文簡(jiǎn)要介紹了石墨烯的性能特點(diǎn)、制備方法，著重對(duì)石墨烯納米復(fù)合材料進(jìn)行了介紹，對(duì)石墨烯納米材料的制備方法、理化性質(zhì)、及應(yīng)用前景進(jìn)行了詳細(xì)介紹。關(guān)鍵詞：石墨烯納米材料復(fù)合物特性制備應(yīng)用 引言：

石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因其優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等性能，已經(jīng)深深地影響了物理、化學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料、納米電子器件、能量?jī)?chǔ)存、生物醫(yī)學(xué)和傳感器等范圍，表現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用前景。石墨烯是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的新型碳納米材料，它基本具有碳材料的所有優(yōu)點(diǎn)，而且還擁有更高的比表面積和導(dǎo)電率，能夠克服碳納米管的一些缺陷，使其成為了一個(gè)非常理想的納米組合成分來(lái)制備石墨烯的復(fù)合材料。自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，越來(lái)越多科學(xué)家開(kāi)始關(guān)注基于石墨烯的復(fù)合材料的研究。目前，石墨烯的復(fù)合材料己在催化、儲(chǔ)能、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)越的性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值。例如，將石墨烯添加到高分子中，可以提高高分子材料的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能；通過(guò)石墨烯與許多不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的納米粒子進(jìn)行復(fù)合，制備出新型石墨烯

一、石墨烯的性能特點(diǎn)

1、導(dǎo)電性

石墨烯穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

2、機(jī)械特性

石墨烯集成電路石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對(duì)石墨烯的機(jī)械特性進(jìn)行了全面的研究。他們選取了一些10—20微米的石墨烯微粒。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個(gè)表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對(duì)這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測(cè)試它們的承受能力。

在石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。

3、飽和吸收

當(dāng)輸入的光波強(qiáng)度超過(guò)閾值時(shí)，這獨(dú)特的吸收性質(zhì)會(huì)開(kāi)始變得飽和。這種非線性光學(xué)行為稱為可飽和吸收，閾值稱為飽和流暢性。給予強(qiáng)烈的可見(jiàn)光或近紅外線激發(fā)，因?yàn)槭┑恼w光波吸收和零能隙性質(zhì)，石墨烯很容易就變得飽和。石墨烯可以用于光纖激光器的鎖模運(yùn)作。用石墨烯制備成的可飽和吸收器能夠達(dá)成全頻帶鎖模。由于這特殊性質(zhì)，在超快光子學(xué)里，石墨烯有很廣泛的應(yīng)用空間。

4、自旋傳輸

科學(xué)家認(rèn)為石墨烯會(huì)是理想的自旋電子學(xué)材料，因?yàn)槠渥孕?軌道作用很小，而且碳元素幾乎沒(méi)有核磁矩。使用非局域磁阻效應(yīng)，可以測(cè)量出，在室溫狀況，自旋注入于石墨烯薄膜的可靠性很高，并且觀測(cè)到自旋相干長(zhǎng)度超過(guò)1微米。使用電閘，可以控制自旋電流的極性。

5、電子的相互作用

石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強(qiáng)烈的相互作用?？茖W(xué)家借助了美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“先進(jìn)光源（ALS）”電子同步加速器。這個(gè)加速器產(chǎn)生的光輻射亮度相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上X射線強(qiáng)度的1億倍?？茖W(xué)家利用這一強(qiáng)光源觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強(qiáng)烈，而且電子和電子之間也有很強(qiáng)的相互作用。

二、石墨烯復(fù)合材料制備

由于石墨烯具有高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率、高比表面積，用其對(duì)聚合物材料進(jìn)行改性有望得到高性能的聚合物基復(fù)合材料，使復(fù)合材料具有高電導(dǎo)率、高強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性并具有一定的阻燃性，進(jìn)一步擴(kuò)大聚合物材料的應(yīng)用范圍。

先按照目標(biāo)制備出表面改性的石墨烯，使其具有親油或親水性；再講改性石墨烯與聚合物材料進(jìn)行復(fù)合制備聚合物基/石墨烯復(fù)合材料。改性后的石墨烯可以更好地分散于聚合物基體中。此用途的石墨烯可取代價(jià)格昂貴的碳納米管來(lái)填充聚合物，使聚合物基復(fù)合材料的性能及因公得到進(jìn)一步提高。

三、常見(jiàn)石墨烯納米材料

1、石墨烯/無(wú)機(jī)物納米材料

石墨烯/無(wú)機(jī)物納米材料是石墨烯與無(wú)機(jī)物復(fù)合的納米材料，它兼具石墨烯與復(fù)合的無(wú)機(jī)物的優(yōu)良特性。如：①石墨烯/SiO2納米復(fù)合材料，它的電導(dǎo)率比石墨烯增大了很多，透射率也很好；②石墨烯/Pt納米復(fù)合材料，它的催化效果比單純的Pt要好很多，也可用于制作電極，效果也很好；③石墨烯/TiO2納米復(fù)合材料，它的電阻約為原來(lái)的1/8，用于電的傳輸時(shí)，可以大大的減少電的損耗。

所以，石墨烯/無(wú)機(jī)物納米材料相對(duì)石墨烯而言，許多性能更加優(yōu)異。

2、石墨烯/聚合物納米材料

石墨烯/聚合物納米材料是石墨烯與聚合物復(fù)合的納米材料，它兼具石墨烯與復(fù)合的聚合物的優(yōu)良特性。如：①改性石墨烯/PMMA納米復(fù)合材料，與PMMA相比，其彈性模量增加30%，硬度增加了5%；②石墨烯/聚苯乙烯(PS)納米復(fù)合材料，它的電逾滲閥值與相同體積比的單壁碳納米管(SWCNT)相當(dāng)，而且分別SWCNT/聚酰亞胺和SWCNT/聚對(duì)亞苯基乙炔基的2倍到4倍；③石墨烯/泡沫有機(jī)硅納米復(fù)合材料，它與未添加石墨烯的泡沫有機(jī)硅相比，石墨烯(0.25%)/泡沫有機(jī)硅納米復(fù)合材料的起始分解溫度提高了16OC，熱分解終止溫度提高了50OC，而且熱降解速率也變慢了。

四、石墨烯納米材料的理論與實(shí)際意義

石墨烯本身作為一種新型碳納米材料，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特性使其在電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等方面具有優(yōu)異的性能，如量子霍爾效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)等。由于具有獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，石墨烯可應(yīng)用于許多的先進(jìn)材料與器件中，如薄膜材料、儲(chǔ)能材料、液晶材料、機(jī)械諧振器等；石墨烯是單層石墨，原料易得，所以價(jià)格便宜，不像碳納米管那樣價(jià)格昂貴，因此石墨烯有望代替碳納米管成為聚合物基碳納米復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)填料。

石墨烯納米復(fù)合材料是在石墨烯的基礎(chǔ)上添加上具有特定性能的聚合物或無(wú)機(jī)物，使其在某一方面或某幾方面具有更加優(yōu)異的特性。這使得它在很多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯的優(yōu)秀特性加上聚合物或無(wú)機(jī)物而形成的石墨烯納米復(fù)合材料將實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等技術(shù)追求，這將迎來(lái)材料界的新革命。參考文獻(xiàn)：

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第三篇：石墨烯前景

2013年1月，歐盟委員會(huì)將石墨烯列為“未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一；

十二五規(guī)劃

石墨烯是新材料中最為“時(shí)髦”的一員。它具有超硬、最薄、負(fù)電子的特征，有很強(qiáng)的韌性、導(dǎo)電性以及導(dǎo)熱性。這使其能夠廣泛應(yīng)用于電子、航天、光學(xué)、儲(chǔ)能、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域，擁有巨大的產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間。

因此，石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)后就迅速引發(fā)全球范圍內(nèi)的研究熱。近年來(lái)我國(guó)在石墨烯研發(fā)應(yīng)用方面的研究不斷加強(qiáng)，各地政府和有關(guān)機(jī)構(gòu)加大力度扶持和推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2013年6月，內(nèi)蒙古石墨烯材料研究院正式成立。這是我國(guó)首個(gè)與石墨烯材料相關(guān)的綜合性研究機(jī)構(gòu)和技術(shù)開(kāi)發(fā)中心。

2013年7月13日，在中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)的支持下，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟正式成立。該聯(lián)盟已向有關(guān)部門上報(bào)了無(wú)錫、青島、寧波、深圳四個(gè)地方，作為石墨烯產(chǎn)業(yè)研發(fā)示范基地。江蘇省、山東省等省級(jí)石墨烯聯(lián)盟已于2013年陸續(xù)成立。

2013年12月18日，無(wú)錫市發(fā)布《無(wú)錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》，規(guī)劃建立無(wú)錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范區(qū)和無(wú)錫市石墨烯技術(shù)及應(yīng)用研發(fā)中心、江蘇省石墨烯質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心。力爭(zhēng)把無(wú)錫市打造成國(guó)家級(jí)石墨烯產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范基地和具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范區(qū)。

2013年12月20日，寧波年產(chǎn)300噸石墨烯規(guī)模生產(chǎn)線正式落成投產(chǎn)。

與此同時(shí)，上海浦東新區(qū)也正籌備建立臨港石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)，并力爭(zhēng)國(guó)家石墨烯檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)中心落戶浦東。

石墨烯產(chǎn)業(yè)遍地開(kāi)花。據(jù)記者了解，目前，無(wú)錫市已設(shè)立2億元專項(xiàng)資金，通過(guò)補(bǔ)貼、配套、獎(jiǎng)勵(lì)、跟進(jìn)投資、股權(quán)投資等方式，進(jìn)一步扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展；寧波為了扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也拿出了千萬(wàn)元以上的扶持資金。業(yè)內(nèi)人士表示，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化其產(chǎn)值至少在萬(wàn)億元以上。

推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

第四篇：石墨烯學(xué)習(xí)心得

石墨烯學(xué)習(xí)心得

最近這段時(shí)間斷斷續(xù)續(xù)搜集了很多納米材料、半導(dǎo)體物理還有石墨烯的相關(guān)資料，主要是來(lái)自萬(wàn)方數(shù)據(jù)網(wǎng)、超星學(xué)術(shù)視頻網(wǎng)站、百度文庫(kù)還有一些相關(guān)網(wǎng)頁(yè)博客資料。了解到了很多之前聞所未聞的知識(shí)，比如“納米材料的神奇特性、納米科技潛在的危害”等等。

對(duì)于石墨烯，主要有如下幾方面不成熟的想法，還望老師您來(lái)指正。

（一）在石墨烯新奇特性以及宏觀應(yīng)用預(yù)測(cè)方面

有人認(rèn)為，石墨烯的這些新奇的特性以及預(yù)期應(yīng)用并不能推廣到宏觀尺寸。

第一是認(rèn)為很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是來(lái)源于對(duì)微納米級(jí)單層石墨烯的實(shí)驗(yàn)研究，不能把納米微米級(jí)觀察和測(cè)試到的數(shù)據(jù)無(wú)限夸大到宏觀應(yīng)用；

第二是認(rèn)為單層懸浮石墨烯的特異性是依靠其邊界碳原子的色散作用而穩(wěn)定存在，大面積的單層懸浮石墨稀不可能穩(wěn)定存在。第三是認(rèn)為目前的大面積石墨烯的應(yīng)用實(shí)例存在相當(dāng)大的褶皺以及碳原子缺失。因而否定很多2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)的公告中對(duì)于石墨稀的宏觀應(yīng)用預(yù)測(cè)，并主張繼續(xù)深入石墨烯微觀性能研究，比如半導(dǎo)體器件等研究。

我想：我們最好還是不能放棄石墨烯在宏觀尺度上應(yīng)用的希望，應(yīng)該盡最大努力用各種手段去克服所謂的褶皺、碳原子缺失等等導(dǎo)致石墨烯性質(zhì)不能穩(wěn)定存在的負(fù)面因素，比如采用襯底轉(zhuǎn)移（CVD）的方式所制大面積石墨烯透明電極尺寸的方法（雖然制得的石墨烯還有很多的缺陷，但至少證明大面積石墨烯還是有可能穩(wěn)定存在并最終為我們所用的吧，畢竟有宏觀實(shí)際應(yīng)用的材料才更有可能是有發(fā)展前景的新型材料）。

（二）在石墨烯制備工藝方面 我們知道，石墨烯非常有希望在諸多應(yīng)用領(lǐng)域中成為新一代器件，但這些元件要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平,還需要解決很多問(wèn)題。那就是如何在所要求的基板或位臵制作出不含缺陷及雜質(zhì)的高品質(zhì)石墨烯,或者通過(guò)摻雜(Doping)法實(shí)現(xiàn)所期望載流子密度的石墨烯。用于透明導(dǎo)電膜用途時(shí)能否實(shí)現(xiàn)大面積化及量產(chǎn)化,而用于晶體管用途時(shí)能否提高層控制精度,這些問(wèn)題都十分重要。今后,為了探尋石墨烯更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,還需繼續(xù)尋求更為優(yōu)異的石墨烯制備工藝,使其得到更好的應(yīng)用。

（三）石墨烯在納米存儲(chǔ)器上的應(yīng)用前景

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)已逐漸逼近物理極限，難以大幅度提高存儲(chǔ)器的性能，越來(lái)越難以滿足人們對(duì)存儲(chǔ)器的要求，要想有突破性的進(jìn)展，就必須另辟蹊徑，尋找新的原理和方法。

第一是因?yàn)閭鹘y(tǒng)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器存在容量小數(shù)據(jù)易丟失等弊端。第二是因?yàn)楝F(xiàn)代化信息爆炸社會(huì)迫切要求新型的大容量存儲(chǔ)器的出現(xiàn)。

第三因?yàn)槭侨藗儗?duì)信息存儲(chǔ)的安全性要求越來(lái)越高。最后，假如納米存儲(chǔ)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的話，屆時(shí)我們電腦中的存儲(chǔ)設(shè)備也許會(huì)以PB為單位計(jì)算，而因存儲(chǔ)介質(zhì)損壞導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的煩惱也將遠(yuǎn)離我們。所以我覺(jué)得：要是可能的話，以石墨烯為介質(zhì)的存儲(chǔ)器，應(yīng)該是一個(gè)不錯(cuò)的研究方向。

第五篇：石墨烯調(diào)研報(bào)告

石墨烯調(diào)研報(bào)告

2016年3月4日

程畢康

1.石墨烯

石墨烯是一種可以單獨(dú)存在的單原子層二維碳材料。石墨烯結(jié)構(gòu)是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它可以翹曲成零維的富勒烯(fullerene)，卷成一維的碳納米管(carbon nano-tube，CNT)或者堆垛成三維的石墨(graphite)，因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，是最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看做是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。石墨烯可以分為單層石墨烯，雙層石墨烯和多層石墨烯。

2.石墨烯性能

石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過(guò)了電子在其他導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。石墨烯具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料的導(dǎo)電性。

另外石墨烯透光率極高，在97%以上，只吸收2.3%的可見(jiàn)光。石墨烯實(shí)際上是一種透明、良好的導(dǎo)體。

石墨烯每個(gè)碳原子與相鄰的三個(gè)碳原子行程三個(gè)C-C鍵，這些C-C鍵使得石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯的理論比表面積高達(dá)26.600m2/g,從而使石墨烯具有突出的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。

石墨烯的化學(xué)性質(zhì)和石墨類似。碳材料具有很強(qiáng)的吸附性，石墨烯也能夠吸附和脫附各種原子和分子。

石墨烯是寬帶隙半導(dǎo)體，使其具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)。3.石墨烯的應(yīng)用

由于石墨烯具有以上優(yōu)異的性能使得石墨烯的是21世紀(jì)前景廣闊最廣闊的材料。目前石墨烯最主要的應(yīng)用有：材料科學(xué)、電子科學(xué)、催化劑載體、生物醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域。

納電子器件

常溫下石墨烯具有10倍于硅片的高載流子遷移率，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小。表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢(shì)，使電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場(chǎng)效應(yīng)管成為可能。另外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個(gè)苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。

利用石墨烯加入電池電極材料中可以大大提高充電效率，并且提高電池容量。新型石墨烯材料將不依賴于鉑或者其他貴金屬，可有效降低成本和對(duì)環(huán)境的影響。

美國(guó)俄亥俄州Nanotek儀器公司實(shí)驗(yàn)人員利用鋰離子可以在石墨烯表面和電極之間大量快速穿梭的特性開(kāi)發(fā)出一種新型儲(chǔ)能設(shè)備，可以將充電時(shí)間從過(guò)去的數(shù)小時(shí)縮短到不到一分鐘。

代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料，石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，由于工程師們正在設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，它被要求使用越來(lái)越高的頻率，然而工作頻率越高，熱量也就越高，于是高頻的提升受到很大限制。石墨烯的出現(xiàn)，使高頻提升的發(fā)展前景變得無(wú)限廣闊。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。光子傳感器

石墨烯還能夠以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場(chǎng)上，這種傳感器是用于檢測(cè)光纖中攜帶的信息的，現(xiàn)在這個(gè)角色還是由硅擔(dān)當(dāng)，石墨烯的出現(xiàn)使硅的時(shí)代就要結(jié)束。IBM的研究小組已經(jīng)披露了他們研制的石墨烯光電探測(cè)器，接下來(lái)人們期待的就是基于石墨烯的太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏。用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)的透光性。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

石墨烯及其衍生物在納米藥物運(yùn)輸系統(tǒng)、生物檢測(cè)、生物成像、腫瘤治療等方面的應(yīng)用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細(xì)菌分析、DNA 和蛋白質(zhì)檢測(cè)。如美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)開(kāi)發(fā)的石墨烯納米孔設(shè)備可以快速完成DNA 測(cè)序。石墨烯量子點(diǎn)應(yīng)用于生物成像中，與熒光體相比具有熒光更穩(wěn)定、不會(huì)出現(xiàn)光漂白和不易光衰等特點(diǎn)。石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

能源存儲(chǔ)

材料吸附氫氣量和其比表面積成正比，石墨烯擁有質(zhì)量輕、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積的優(yōu)點(diǎn)，使其成為儲(chǔ)氫材料的最佳候選者。

吸聲材料

美國(guó)IBM宣布，通過(guò)重疊兩層相當(dāng)于石墨單原子層的“石墨烯”試制成功了新型晶體管，同時(shí)發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的1/f。石墨烯試制成功了相同的晶體管，不過(guò)與預(yù)計(jì)的相反，發(fā)現(xiàn)能夠大幅控制噪音。通過(guò)在二層石墨烯之間生成的強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制噪音。

超輕防彈衣、超強(qiáng)光轉(zhuǎn)換效率激光武器、超薄超輕型飛機(jī)、超薄能折疊的手機(jī)、高強(qiáng)度航空材料、高性能儲(chǔ)能和傳感器、超級(jí)電容器，甚至更富想象力的太空電梯，越來(lái)越多基于石墨烯材料的未來(lái)設(shè)備進(jìn)入科學(xué)家的研究視野。4.石墨烯制備

前石墨烯的制備工藝可分為物理法和化學(xué)法。物理法是從具有高晶格完備性的石墨或類似材料中獲得，石墨烯尺度都在80nm以上。物理法包括：機(jī)械剝離法、加熱SiC法、爆炸法和取向附生法。化學(xué)法是通過(guò)小分子合成或溶液分離的方法制備，石墨烯尺度在10 nm以下。化學(xué)法包括：電化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法、石墨插層法、球磨法、氧化石墨還原法、熱膨脹剝離法。

5.石墨烯復(fù)合材料

石墨烯應(yīng)用廣闊，但是應(yīng)用和研究最多的是石墨烯復(fù)合材料。目前石墨烯復(fù)合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復(fù)合材料和石墨烯基無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料上。隨著對(duì)石墨烯研究的深入，石墨烯增強(qiáng)體在塊體金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和力學(xué)性能，可作為制備高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料的理想納米填料，同時(shí)分散在溶液中的石墨烯也可與聚合物單體相混合進(jìn)而經(jīng)聚合形成復(fù)合材料體系，此外石墨烯的加入可賦予復(fù)合材料不同的功能性，不但表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，且具有優(yōu)良的加工性能，為復(fù)合材料提供了更廣闊的應(yīng)用空間。與純的聚合物相比，石墨烯/聚合物復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和阻燃性能均有顯著提高，同時(shí)，石墨烯增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料的力學(xué)和電學(xué)性能均較黏土或者其他炭材料增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的性能優(yōu)異。

石墨烯聚合物復(fù)合材料

根據(jù)石墨烯與聚合物的作用方式不同可分為石墨烯填充聚合物復(fù)合材料﹑層狀石墨烯聚合物復(fù)合材料和功能化聚合物復(fù)合材料。石墨烯/聚合物復(fù)合材料的制備主要采用共混法，它通過(guò)聚合物與石墨烯納米粒子共混后制成。

石墨烯/無(wú)機(jī)物復(fù)合材料

石墨烯/無(wú)機(jī)物復(fù)合材料是無(wú)機(jī)納米材料（金屬納米材料、半導(dǎo)體和絕緣納米材料）在石墨烯納米層表面形成石墨烯衍生物。石墨烯與特定功能顆粒結(jié)合，使其在催化劑、光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

石墨烯/金屬?gòu)?fù)合材料

石墨烯與聚合物、陶瓷復(fù)合時(shí)會(huì)出現(xiàn)良好的性能。此外，當(dāng)石墨烯與金屬?gòu)?fù)合時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。石墨烯比表面積大，可在其片層上修飾金屬納米粒子，即對(duì)石墨烯進(jìn)行表面改性，使石墨烯的性質(zhì)發(fā)生改變。另一方面，石墨烯可作為增強(qiáng)體添加到金屬基體中，起到彌散強(qiáng)化的作用。金屬在塑性變形時(shí)，石墨烯粒子能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加金屬的抗拉、抗彎強(qiáng)度、硬度等機(jī)械性能。

總之石墨烯復(fù)合材料大大拓寬了石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域。目前石墨烯和石墨烯復(fù)合材料的制備與研究尚未成熟，尤其是關(guān)于石墨烯復(fù)合吸聲材料、潤(rùn)滑、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有待探索。