第一篇：乳制品包裝現(xiàn)狀及應用前景[模版]

乳制品包裝現(xiàn)狀及應用前景

王海東（西北農(nóng)林科技大學

食品學院 食工064班 10106097）

【摘要】：本文主要對當前我國乳制品包裝的現(xiàn)狀，存在的一些待解決的問題盒和解決的方法。及乳制品包裝的應用前景，主要介紹的了PET瓶包裝乳制品發(fā)展趨勢和一些待解決的問題的解決方法。高質(zhì)量的包裝是實現(xiàn)乳品食用安全、功能、環(huán)保的保證, 包裝材料的應用在于提高乳品包裝的杭滲、杭漏及杭溶解性, 塑料被廣泛應用是不可回避的趨勢。

【關鍵詞】：食品包裝材料乳制品包裝 紙質(zhì)包裝 塑料 PET

Abstract：This paper mainly on the current status quo of China's dairy packaging, some of the issues to be resolved boxes and solutions.And dairy products packaging applications, mainly introduced by the PET bottle packaging dairy development trends and some of the issues to be resolved solution.Packaging is to achieve high-quality dairy food safety, function, to ensure environmental protection, packaging materials is to improve the dairy packaging Hang seepage, leakage and Hang solubility, plastics are widely used is an unavoidable trend.Keyword：Food packaging materials, dairy products packaging, paper packaging, plastics, PET

一、乳制品的包裝及簡介

根據(jù)國家標準GB4122-83 對包裝明確定義:“包裝是指在流通過程中保護產(chǎn)品, 方便儲存, 促進銷售, 按一定技術方法而采用的容器、材料及輔助物等的總體名稱”。

乳制品包裝, 就是采用適當?shù)陌b材料、容器和包裝技術, 把乳制品灌充、裝載或包裹起來, 以使乳制品在運輸和貯藏過程中保持其價值和原有狀態(tài)。乳品包裝作為乳品生產(chǎn)的最后工序, 是乳品流通銷售的保障, 直接影響著乳品業(yè)的發(fā)展。

乳制品的包裝, 可以是復合紙盒、玻璃瓶、復合塑料袋、金屬盒包裝等, 玻璃由于重而易碎等因素, 不適合工業(yè)生產(chǎn), 鐵盒也主要用外包裝, 實際使用塑

料瓶、袋, 如紙盒等奶制品和其它食品包裝一樣, 基本是以塑料作為內(nèi)包裝, 或者以塑料作為內(nèi)層的復合包裝。常見乳制品包括:

液體乳類(LiquitMilk), 如殺菌乳GB5408.1;滅菌乳GB5408.2;酸牛乳GB2746;配方乳等。

乳粉類(MilkPowders), 如全脂乳粉、脫脂乳粉、全脂加糖乳粉和調(diào)味乳粉GB5410;嬰幼兒乳粉GB10765、GB10766、GB10767;其他配方乳粉。

煉乳類(CondensedMilk), 如全脂無糖煉乳(淡煉乳)。全脂加糖煉乳GB5417;調(diào)味煉乳;配方煉乳等。

乳脂肪類(MilkFats), 如稀奶油GB5414;奶油GB5415;無水奶油等。含乳制品的焙烤食品, 如糕餅點心, 也需要對其中的乳制品保鮮。

因為牛奶特別易變質(zhì), 因此無論是長效奶(UHT)還是保鮮奶, 都對包裝提出了嚴格的質(zhì)量要求, 此外, 便于攜帶和飲用方便, 也是對乳品包裝的基本要求。

乳業(yè)近年來一直圍繞在價格、奶源、資本、圈地、廣告等方面競爭, 2007 年競爭的已轉移到產(chǎn)品和工藝創(chuàng)新方向, 國內(nèi)消費觀念逐漸成熟、從“有奶喝”轉為“喝好奶”的需求日益強烈, 競爭也上了一個新臺階。高質(zhì)量的包裝是乳品生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)本地市場滲透和外地市場擴張的一個必然選擇。

二、當前液體乳制品的包裝的問題及解決的方法

中國液體乳產(chǎn)業(yè)是在過去10 年中逐漸發(fā)展起來，但發(fā)展速度是一年勝于一年，消費者對健康的日益關注推動了乳業(yè)的發(fā)展。早期由于冷藏手段的不完善，需要保存期長的包裝形式，如無菌磚和無菌枕等，但隨著主要城市的零售市場快速發(fā)展，保鮮奶日益受到人們的關注，包裝形式也向巴氏塑袋、奶杯以及屋頂包過渡。

由于保鮮奶的生產(chǎn)、包裝、運輸和貯藏的復雜性，鮮奶的銷售增長受到了一定的影響。主要體現(xiàn)在以下方面：原奶的微生物數(shù)量同國際水平比較相對較高，則要求加工的溫度必須提高，而且存貨周期受到限制；乳業(yè)及其配套包裝供應企業(yè)，對屋頂包紙合等新包裝形式的制造和灌裝還處于學習摸索階段；野蠻裝卸，長途和條件惡劣的運輸仍然比較常見；冷鏈不完善，而且冷藏溫度在某些環(huán)節(jié)還

不夠低；零售商和消費者對如何保證鮮奶的新鮮還不太了解。

保鮮牛奶面臨的問題，特別是冷藏控制和運輸條件問題都是暫時的，它們都會得到解決，這一點叢亞洲市場保鮮奶的包裝形式的發(fā)展歷史可以預見。

乳制品在中國的市場前景非?？捎^，目前液體乳占整個飲料市場的12%，并且這個份額正在不斷擴大。政府部門制定的的消費目標是：2010 年：每人每年18kg2028 年：每人每年28kg2040 年：每人每年41kg

牛奶和其制品長期以來被認為是富含高質(zhì)量的蛋白質(zhì)、鈣、維生素以及鋅、鎂等其他微量元素的食品。牛奶的營養(yǎng)保全最佳的是巴氏殺菌形態(tài)，無菌包裝是一種好的包裝形式，但是一般來說無菌包裝牛奶從生產(chǎn)到飲用的時間間隔要大于屋頂包裝。牛奶對紫外線非常敏感，在透光包裝中，牛奶的維生素喪失和口感改變很快。牛奶加工受熱時間越短，貯藏溫度越低，貯藏時間越短，受紫外線照射越少，其口感就越好。在大多數(shù)崇尚鮮奶的市場，保鮮奶都享有較高的售價，在這些市場，保鮮風味奶的市場在逐漸擴大。生產(chǎn)過程的衛(wèi)生控制非常重要，而純度高的原奶需要的殺菌溫度相對較低，對營養(yǎng)和口感的保全也就更加充分。牛奶在灌裝后的正確貯藏，運輸過程的條件改善，減少運輸距離和時間可以幫助確保鮮奶的質(zhì)量。

衛(wèi)生 灌裝機設備調(diào)整和良好的維護是保證灌裝質(zhì)量的重要條件，不同紙盒生產(chǎn)商提供的紙盒在上機前，需要在機器上作適當微調(diào)，使紙盒和灌裝機更加貼合。保證低溫恒定也非常重要。保鮮牛奶的最佳貯藏溫度是4℃，避免頂封溫度過高可以幫助改善漲包問題。

搬運 粗野的搬運會導致屋頂包的破損，必須在整個灌裝，裝卸和堆放過程中避免突然墜落或其他不合理的操作。

運輸 雖然路況在改善，但是運輸過程仍然具有挑戰(zhàn)性，紙盒包裝箱應當受到良好保護和支持，避免翻落損傷里面的裝滿牛奶的紙盒。

除了這些舉措外，采用加厚的液體面PE 淋膜厚度、選用挺度更高的原紙、增加尼龍阻氧隔離淋膜等都可以提高運輸過程耐久性。

零售商對品質(zhì)的影響很大，貨架溫度是具有決定性的，垂直排放紙盒既能防止?jié)B漏，而且有助于向消費者展示紙盒表面的印刷宣傳圖案。保持紙盒之間互相接觸和固定，可以最大限度地減少漲包的影響，而且可以提高紙盒的握度舒適程

度。

消費者對牛奶的營養(yǎng)和新鮮的好處有較好的一般認知程度，但是還有提高的空間，另外，需要增加對保鮮牛奶包裝的貯藏和飲用知識的積累。屋頂包側立面的廣告展示是向消費者傳播信息的最佳方式。除了介紹品牌以外，還可以增加營養(yǎng)成分，飲用方法，貯藏方法的經(jīng)驗介紹。

我們相信保鮮牛奶在克服了短期出現(xiàn)的問題之后，會成為中國液體乳市場的主導力量，因為新鮮和營養(yǎng)是人們選擇食品的首要原則。

三、現(xiàn)代的新型包裝在乳制品中的應用

使用PET 瓶包裝乳制品是目前乳制品包裝市場的一大趨向。消費者喜愛透明的包裝，他們想看到自己關注的食品。這也可以解釋為什么現(xiàn)今很多乳制品公司不僅提供經(jīng)典的PET 瓶裝pH 值小于4 的小麥乳制品、酸奶或透明PET 瓶裝中性乳制品的微生物檢測安全，尤其是當制品被拿到冰箱以外的地方銷售時，這是一個成功的技術突破。與pH 值小于4 的乳飲料相比，中性pH 值的乳制品中微生物的敏感度高。當然，目前使用的加工過程是趨近無菌操作的。十多年來PET酸性軟飲料的無菌瓶裝技術證明，其得益于發(fā)展中的技術革新。

光不穩(wěn)定呈味物質(zhì)對制品造成危害在克服了微生物障礙后，技術突破點聚焦在不同貯藏環(huán)境下的終產(chǎn)品的穩(wěn)定性。要求終產(chǎn)品有物理/化學穩(wěn)定性，最重要的是口感穩(wěn)定，尤其是如果它們在冷鏈之外的環(huán)境下分配和貯藏。貯藏試驗和感官鑒評顯示，即使是在一個有顏色的PET 瓶中，由于它沒有一個特殊的光保護系統(tǒng)，在幾天以后，制品口感也被檢測出有所損壞?？诟械膿p壞通常與乳制品組分的變化有關。例如Vb2，牛奶中的重要組分，對光照極其敏感，見光分解，使牛奶口感變壞。

具有光保護作用的PET 塑料瓶處理這個包裝技術缺陷問題的主要手段是在PET塑料瓶中加入特殊的光保護系統(tǒng)。標準PET 瓶上不可視，在最大波長為380nm的紫外線范圍內(nèi)具有光保護活性的光線。而牛奶中光敏物質(zhì)的感受波長是300~500nm，所以在包裝中形成完全保護是不可能的。如果以保護光敏度波長在380nm 以外的制品為目的，包裝將呈現(xiàn)從黃到紅的顏色變化。

HDPE 包裝高氧滲透性，但不透明另一個常用的包材是HDPE，與PET 相比，這種材料具有高氧滲透性，通常為白色，不透明。

解決光照問題在使用透明塑料包材時，會不可避免的出現(xiàn)氧氣和光線的相互作用。光照激活氧分子，使制品質(zhì)量加速下降。

當代乳制品制造商將在加工中使用低氧灌裝，這是塑料包裝更需要的。為乳制品加工提供的利用基材和水果制備相結合的特殊技術幫助確定制品免于有害光線的照射和高穿透力氧分子的滲入。

盡管在技術上仍然要有很大突破，PET 瓶裝乳制品的包裝趨勢是確定的。這種包材對于消費者來說是非常熟悉的：材料透明、不易碎、能夠再次使用并且樣式新穎。然而，對于乳制品，優(yōu)勢是包裝材料提供了一個廣泛的設計范圍并且是技術改革中最理想的包材選擇。

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第二篇：中國乳制品行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景

中國乳制品行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景

中國乳制品行業(yè)起步晚，起點低，但發(fā)展迅速。特別是改革開放以來，奶類生產(chǎn)量以每年兩位數(shù)的增長幅度迅速增加，遠遠高于1%的同期世界平均水平。中國乳制品產(chǎn)量和總產(chǎn)值在最近的10年內(nèi)增長了10倍以上，已逐漸吸引了世界的眼光，但同時，中國人均奶消費量與發(fā)達國家相比，甚至與世界平均水平相比，差距都還十分懸殊。改革開放以來，中國奶業(yè)走上了發(fā)展的快車道，進入快速增長期。奶類生產(chǎn) 始終著 高速增長勢頭。

我國加工乳制品的品種主要有液態(tài)奶和固態(tài)乳制品兩大類。液態(tài)奶包括飲用鮮奶、酸奶和其它 種類 奶；固態(tài)乳制品主要有全脂和脫脂奶粉，但是 黃油、干酪和煉乳產(chǎn)量很少。近幾年來，中國乳品加工企業(yè)初步改變了小規(guī)模分散經(jīng)營的局面，使中國乳業(yè)資源日趨合理。隨著人民生活水平提高，乳和乳制品正在逐漸成為中國城市居民每天的生活必需品，中國乳品消費市場以超過預期的速度快速增長，已成為市場消費熱點。但是 中國奶類的人均消費與世界人均消費水平相比，還有著很大的差距。目前，世界中等發(fā)達國家人均消費量為100 kg左右，而發(fā)達國家高達250 kg。發(fā)達國家肉、蛋、奶的比例是0.4: 0.06:1，乳制品消費比例高，而中國的比例是6.7: 2.8:1，乳制品消費比例最低。

令人鼓舞的是，近兩年政府出臺了一系列有利于乳業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的政策，中國乳制品行業(yè)正面臨增長方式的轉變，以市場化、法制化、規(guī)范化的不破壞資源生態(tài)的生產(chǎn)方式，從源頭抓起，從整個乳業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈抓起，以現(xiàn)代的營銷觀念，迎接新一輪高品質(zhì)發(fā)展周期的到來。中國乳品消費在逐步擴大，但目前成規(guī)模的消費市場還遠沒有形成。中國許多人還沒有喝牛奶、食用乳制品的習慣，尤其是農(nóng)村市場還遠沒有打開，還有相當部分的人因經(jīng)濟條件所限消費不起，消費習慣的培養(yǎng)還需要一個過程。乳企須研究中國乳業(yè)發(fā)展的規(guī)律，找到一個比較合理的增長速度，加強乳業(yè)發(fā)展的計劃性。

縱觀以往喧囂的中國乳制品行業(yè)，其焦點一直圍繞在價格戰(zhàn)、奶源戰(zhàn)、資本戰(zhàn)、圈地戰(zhàn)、廣告戰(zhàn)、口水戰(zhàn)等方面，但2007年競爭的話題顯然已轉移到以產(chǎn)品創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新為代表的研發(fā)大戰(zhàn)。各個乳制品企業(yè)推出的新品無一不注重科技含量，也更加側重功能性。中國乳業(yè)已進入了新的競爭階段。針對國內(nèi)消費觀念逐漸成熟、從“有奶喝”轉為“喝好奶”的需求日益強烈，競爭也上了一個新臺階，從低端的價格大戰(zhàn)走向高端的技術、產(chǎn)品比拼；從原始的廣告戰(zhàn)、價格戰(zhàn)變?yōu)閷π袠I(yè)健康、長遠發(fā)展具有促進作用的差異化競爭。

近年來，我國乳品加工業(yè)已成為食品工業(yè)中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。2008年，規(guī)模以上企業(yè)共實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)值1556億元，比1998年增長了11.7倍；2008年我國乳制品產(chǎn)量合計1810.5萬噸，已占世界年產(chǎn)量的4.6%；2008年我國城鎮(zhèn)居民奶類消費量為22.7公斤，比1992年增長了146.2%。我國乳制品行業(yè)已取得了顯著成就。但2008年9月爆發(fā)的“三聚氰胺事件”使整個行業(yè)的信譽遭受嚴重危機，國內(nèi)市場急劇下滑，消費者信心受挫，幾乎所有企業(yè)都陷入了極端困難之中。危機下，國家出臺了一系列整頓乳業(yè)的重大舉措，如今奶業(yè)形勢逐步好轉，積極因素在增加。

2010年我國乳制品行業(yè)仍然處于調(diào)整和恢復性增長階段，企業(yè)應繼續(xù)夯實發(fā)展基礎。從具體指標看，2010年乳制品行業(yè)的一些經(jīng)營指標出現(xiàn)不同幅度增長。其中，乳制品產(chǎn)量同比增長11.18%，此外，乳制品行業(yè)利潤總額有所增長，企業(yè)虧損面和虧損額有所減少，表明行業(yè)的盈利狀況有所改善。

目前，城市乳制品銷量占到全國乳制品總銷量的90%，廣大農(nóng)村乳品市場潛力巨大，有待挖掘。隨著中國乳業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品結構發(fā)生很大的變化，已成為技術裝備先進、產(chǎn)品品種較為齊全、初具規(guī)模的現(xiàn)代化食品制造業(yè)，隨著中國人民生活水平的逐漸提高，乳制品消費市場會不斷擴大并趨于成熟，隨著農(nóng)村乳制品消費量的逐步增長，我國乳制品行業(yè)將會迎來更加廣闊的發(fā)展空間。

第三篇：乳制品包裝技術質(zhì)量標準

乳制品包裝技術質(zhì)量標準（包裝方面）

一、乳品包裝材料質(zhì)量檢測構成（一）復合強度的檢測

市場上的乳品軟包裝，如無菌枕、無菌磚大多為復合塑料、復合紙張。軟包裝復合強度越高越好，撕開或破壞最為理想，高粘合值可防止復合層脫離。復合材料加工成袋后，暴露在惡劣的環(huán)境中或受濕氣及化學成分影響，很可能造成損害?，F(xiàn)有的不論國產(chǎn)或是進口的拉力機都可作剝離試驗，但都是通用型，只能進行簡單的力值運算。我國目前的智能電子拉力試驗機適合軟包裝行業(yè)力值較小的試驗，完全符合GB8808-88軟質(zhì)復合材料剝離試驗，具有獨特的掐頭去尾功能，可將中間段利用積分法求力值，結果準確，實時顯示力值和曲線，可根據(jù)所測力值來判定粘合劑的使用情況；可根據(jù)所顯示曲線的波動情況了解復合的均勻情況；可通過曲線疊加來分析試樣的穩(wěn)定情況，進而調(diào)整生產(chǎn)工藝、調(diào)整復合參數(shù)。

（二）摩擦系數(shù)的檢測

通過包裝材料摩擦系數(shù)的測試可以控制和調(diào)節(jié)軟包裝袋的開口性、包裝機的包裝速度等生產(chǎn)質(zhì)量工藝指標。目前國內(nèi)設備已與國際接軌，具有獨特的震蕩系數(shù)設置以便適合不同材質(zhì)的薄膜、紙張，其智能化的數(shù)據(jù)處理，可有效判斷本組試樣結果的置信度；大屏液晶實時顯示曲線，可直觀判斷材料表面摩擦系數(shù)的均勻性。生產(chǎn)包裝材料的廠家經(jīng)過測試可通過選擇樹脂中的開口劑、爽滑劑的種類和含量來控制摩擦系數(shù)，使廠家可有效地控制原材料的質(zhì)量。

（三）透氣、透濕性測試

乳品包裝材料的透氣、透濕性能研究尤其重要，它直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。國際上如美國膜康、丹麥拔萃公司都可測此項指標，其價格都在45萬元人民幣左右，而且是單腔操作，即一次測一個試樣。目前國內(nèi)研制的透氣性測試儀融合了當今最先進的技術，強大的軟件功能，測試數(shù)據(jù)實時顯示，計算機全自動雙向監(jiān)控，三腔組合同時測試，試驗精度穩(wěn)定可靠，自動糾錯排查，抑制溫漂，無汞安全操作，當然，價格也低得多。

（四）包裝的密封性檢測

軟包裝的密封性亦是一項重要性能指標，特別是乳品包裝行業(yè)，密封性對其質(zhì)量有很大的影響。密封性不好是造成滲漏的主要原因。密封試驗有多種方法，最常用的方法是使用密封性試驗儀，利用真空原理，按國家標準將試樣分別在-30kpa、-50kpa、-70kpa、-90kpa保持0.5min，試驗過程中注意觀測抽真空時和真空保持期間試樣的泄漏情況，觀察其有無連續(xù)韻氣泡產(chǎn)生，出現(xiàn)孤立的氣泡不視為泄漏。通過此測定來衡量包裝袋的質(zhì)量，進而判定封裝工藝的合理性。

（五）乳品軟包裝封口熱封強度的檢測

熱封強度對包裝材料來講是一個重要性能指標，任何一種軟包裝材料都要做成包裝袋，要用熱封來封口。熱封的三大因素是熱封溫度、壓力、時間，根據(jù)材料的不同需要不同的熱封因素。我國目前的智能電子拉力試驗機可作此項試驗，而且該設備自動讀取數(shù)據(jù)，自動判斷力值，當Fn+1>Fn，寄存Fn+1值。當Fn+1

（六）其它質(zhì)量檢測

乳品包裝的最終目的是銷售，外觀印刷精美的包裝無疑會充分吸引消費者的目光，擴大市場份額。軟包裝印刷品的密度、密度差、顏色、顏色差、疊印率、印刷反差可通過美國愛色麗公司分光密度儀來測量，進而達到控制印刷品的質(zhì)量。

對于乳制品和嬰幼兒食品的包裝材料，基本要求為: 1)無毒、無味、無臭，安全、衛(wèi)生；2）外表美觀，便于商標印刷;3)具有一定的強度、韌性和密封性能，便于運輸存放 ；4)化學性能穩(wěn)定，不與內(nèi)容物反應;5)價格低廉，原料豐富;6）廢棄物容易處理，不污染環(huán)境。

本公司將從包裝材料、衛(wèi)生要求和保鮮、印刷成型及包裝回收4個方面做一簡單介紹。

1、液態(tài)奶的包裝盒采用復合材料制成，典型的復合材料由以下4種材料或其中幾種材料復合而成。

2、聚乙烯(以下簡稱PE)——密封層，起阻隔潮濕和細菌的作用;

3、紙板——用于提高盒的硬度和強度，并有避光作用;

4、鋁箔——具有卓越的隔氧和避光性能;

5、EVOH高效阻隔層——鋁箔的替代品，同樣用于阻隔氧氣和避光。

6、衛(wèi)生要求和保鮮

7、鮮奶根據(jù)保鮮期的不同，采用的制盒材料也不相同。需要冷藏的短期保鮮奶包裝盒的結構比較簡單，通常采用PE/紙板/PE復合材料;用于常溫環(huán)境長期保存的無菌灌裝奶包裝盒，其材料的結構為PE/紙板/黏合層/鋁箔/黏合層/PE，或者是PE/紙板/EVOH/黏合層/PE型復合材料。

包裝好可促進乳品營銷

乳品包裝對于促進牛奶營銷的貢獻非常大。

首先，是產(chǎn)品保質(zhì)期方面。正是有了不同的包裝技術、包裝材料，才產(chǎn)生了多種保質(zhì)期的牛奶產(chǎn)品，比如短保質(zhì)期的屋脊包巴氏保鮮奶、保質(zhì)期適中的枕／塑袋裝無菌包裝UHT奶和保質(zhì)期較長的無菌磚型包裝UHT奶等。

第二，靈活運用不同的包裝容量、開啟方式、包裝材料、包裝形狀、印刷設計、瓶蓋、吸管設計等包裝要素，可以達到更多的營銷目的。日常型消費的牛奶如早餐奶，這類以家庭為單位消費的牛奶，消費者對其包裝的要求是經(jīng)濟型大包裝，開啟方式為可反復開合，開啟手段不要求很方便，可采用剪刀等工具。而沖動娛樂型消費者對包裝要求附加值較高，是以個體為單位消費的牛奶，一般為乳飲料產(chǎn)品，對包裝的形狀設計、開啟方式、甚至手持方式都有較高的要求。

第三，在促銷方面，有一些牛奶包裝是不適合促銷的，比如玻璃瓶、塑料袋，而其他包裝如塑瓶、紙盒卻是非常好的促銷載體，可以通過瓶蓋收集、剪角等方式進行促銷。

總之，從產(chǎn)品營銷應遵循的4P(產(chǎn)品、價格、渠道和促銷)原則的每一個方面來看，包裝都可以起到相當重要的作用，并不乏成功的案例。

第四篇：納米材料研究現(xiàn)狀及應用前景要點

納米材料研究現(xiàn)狀及應用前景

摘要：文章總結了納米粉體材料、納米纖維材料、納米薄膜材料、納米塊體材料、納米復合材料和納米結構的制備方法，綜述了納米材料的性能和目前主要應用領域，并簡單展望了納米科技在未來的應用。

關鍵詞：納米材料；納米材料制備；納米材料性能；應用 0 引言

自從1984年德國科學家Gleiter等人首次用惰性氣體凝聚法成功地制得鐵納米微粒以來，納米材料的制備、性能和應用等各方面的研究取得了重大進展。納米材料的研究已從最初的單相金屬發(fā)展到了合金、化合物、金屬無機載體、金屬 有機載體和化合物無機載體、化合物有機載體等復合材料以及納米管、納米絲等一維材料，制備方法及應用領域日新月異。

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構成的材料，包括納米粉體(零維納米材料，又稱納米粉末、納米微粒、納米顆粒、納米粒子等)、納米纖維(一維納米材料)、納米薄膜(二維納米材料)、納米塊體(三維納米材料)、納米復合材料和納米結構等。納米粉體是一種介于原子、分子與宏觀物體之間的、處于中間物態(tài)的固體顆粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。納米粉體研究開發(fā)時間最長、技術最成熟，是制備其他納米材料的基礎。納米粉體可用于：高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學器件拋光材料、微芯片導熱基片與布線材料、微電子封裝材料、光電子材料、先進的電池電極材料、太陽能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料、人體修復材料、抗癌制劑等。納米纖維指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料，如納米碳管，可用于微導線、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料、新型激光或發(fā)光二極管材料等。納米薄膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒薄膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜；致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。可用于氣體催化材料、過濾器材料、高密度磁記錄材料、光敏材料、平面顯示器材料、超導材料等。納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的納米晶粒材料，主要用途為超高強度材料、智能金屬材料等。納米復合材料包括納米微粒與納米微粒復合(0-0 復合)、納米微粒與常規(guī)塊體復合(0-3復合)、納米微粒與薄膜復合(0-2 復合)、不同材質(zhì)納米薄膜層狀復合(2-2 復合)等。納米復合材料可利用已知納米材料奇特的物理、化學性能進行設計，具有優(yōu)良的綜合性能，可應用于航空、航天及人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活的各個領域。納米結構是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎，按一定規(guī)律構筑或營造的一種新體系。這些物質(zhì)單元包括納米微粒、穩(wěn)定的團簇或人造原子、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的孔洞等。

我國于20世紀80年代末開始進行納米材料的研究，近年來，在納米材料基礎研究領域，取得了重大的進展，已能采用多種方法制備金屬與合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，研制了相應的設備，做到了納米微粒的尺寸可控，并研制了納米薄膜和納米塊體。在納米材料的表征、團聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復合等許多方面有所創(chuàng)新。成功地研制出致密度高、形狀復雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；在世界上首次發(fā)現(xiàn)納米氧化鋯晶粒在拉伸疲勞中應力集中區(qū)出現(xiàn)超塑性形變； 在顆粒膜的巨磁電阻效應、磁光效應和自旋波共振等方面做出了創(chuàng)新性的成果；在國際上首次發(fā)現(xiàn)納米類鈣鈦礦化合物微粒的磁熵變超過金屬Gd；發(fā)展了非晶完全晶化制備納米合金的新方法；發(fā)現(xiàn)全致密納米合金中的反常Hall-Petch效應等。納米材料制備技術現(xiàn)狀

納米粉體、納米纖維、納米薄膜、納米塊體、納米復合材料和納米結構等納米材料的制備方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工藝上有顯著的差異。關于納米材料的制備方法方面的文獻較多，各種制備方法的工藝過程、特點及適用范圍在相關的文獻中均有較詳細的介紹[ 1][ 12],[ 13]-[ 21] 2.1 納米材料的力學和熱學性能

納米材料由于其獨特的結構，因而與常規(guī)材料相比，在力學和熱學上表現(xiàn)出一些奇異的特性。實驗表明，粒徑達8nm的鐵的強度為常規(guī)材料的數(shù)倍，其硬度是常規(guī)材料的近千倍。長期以來，為解決陶瓷在常溫下的易碎問題不斷尋找陶瓷增韌技術，如今納米陶瓷的出現(xiàn)輕而易舉地解決了這個難題。實驗證明，納米TiO2在800-1000熱處理后，其斷裂韌性比常規(guī)TiO2多晶和單晶都高，而其在常溫下的塑性形變竟高達100%。中科院金屬研究所曾成功地將納米鐵經(jīng)反復鍛壓，其形變高達300%。

目前各種發(fā)動機采用的材料都是金屬，而人們一直期望能用性能優(yōu)異的高強陶瓷取代金屬，這也是未來發(fā)動機發(fā)展的方向。而納米陶瓷的出現(xiàn)為人們打開了希望之門。納米陶瓷的超高強度，優(yōu)異的韌塑性使其取代金屬用來制作機械構件成為可能。中科院上海硅酸鹽研究所制成的納米陶瓷在800下具有良好的彈性。

納米微粒由于顆粒小，表面原子比例高，表面能高，表面原子近鄰配位不全，化學活性大，因而其燒結溫度和熔點都有不同程度的下降。常規(guī)Al2O3燒結溫度在1650以上，而在一定的條件下，納米Al2O3可在1200左右燒結。利用納米材料的這一特性，可以在低溫下燒結一些高熔點材料，如SiC，WC，BC等。另一方面，由于納米微粒具有低溫燒結，流動性大，燒結收縮大的特性，可以作為燒結過程的活性劑，起到加速燒結過程，降低燒結溫度，縮短燒結時間的作用。有人曾作過實驗，在普通鎢粉中加入0.1%-0.5%的納米鎳粉，其燒成溫度從3000降到1200-1300。復相材料由于不同相的熔點及相變溫度不同而燒結困難，但納米粒子的小尺寸效應和表面效應，不僅使各相熔點降低，各相轉變溫度也會降低。在低溫下就能燒結成性能良好的復相材料。納米固體低溫燒結特性還被廣泛用于電子線路襯底，低溫蒸鍍印刷和金屬陶瓷的低溫接合等。

此外，利用納米微粒構成的海綿體狀和輕燒結體可制成多種用途的器件，廣泛應用于各種過濾器、活性電極材料、化學成分探測器和熱變換器，例如備受人們關注的汽車尾氣凈化器。有報道說，以色列科學家成功地用Al2O3制備出耐高溫的保溫泡沫材料，其氣孔率高達94%，能承受1700的高溫。

2.2 納米材料的光學特性

納米粒子的一個明顯特征是尺寸小。當納米粒子的粒徑與超導相干波長，玻爾半徑以及電子的德布羅意波長相當、甚至更小時，其量子尺寸效應將十分顯著，使得納米材料呈現(xiàn)出與眾不同的光學特性。

納米材料對可見光具有反射率低、吸收率高的特性。一般來說，大塊金屬都具有不同顏色的光澤。但實驗證明，金屬納米微粒幾乎都呈黑色。如鉑金納米粒子反射率僅有1%，這表明它們對可見光的低反射率、高吸收率導致粒子變黑。由于體積效應，能級間距的增大和納米的量子限域效應，納米粒子對光的吸收還表現(xiàn)出藍移現(xiàn)象。利用納米材料的這一特性，制成紫外吸收材料，可用作半導體器件的紫外線過濾器。還可在稀土熒光粉中摻入納米粉，吸收掉日光燈發(fā)射出的有害紫外線。將其應用在紡織物中，與粘膠纖維相混合，制成的功能粘膠纖維，具有抗紫外線、抗電磁波和抗可見光的特性，可用來制做宇航服。

2.3 納米材料的化學活性、敏感性

化學催化劑是一種不斷接受熱源使化學反應穩(wěn)定進行的功能材料。催化劑的作用主要有以下幾個方面:一是提高反應速度和效率，縮短反應時間；二是改善反應的條件，如降低反應溫度、壓強、真空度等；三是在決定反應的路徑方面，使化學反應按預計的方向進行，即具有選擇性。從以上不難看出，人們總是期望單位質(zhì)量催化劑表面能同時接納盡可能多的反應物，納米微粒的表面積效應恰好符合了這一點。而且納米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子臺階，此外原子表面懸鍵多，反應活性大。這些都有利于加速化學反應，提高催化劑的反應活性。例如采用納米Ni 作為火箭固體燃料的催化劑，燃燒率可提高100倍。納米材料不僅能極大提高催化劑的催化活性，而且還表現(xiàn)出令人驚異的化學選擇性。這在有機化學工業(yè)上有著廣闊的應用前景，可用來提高原料的利用率，降低生產(chǎn)成本。如在環(huán)辛二烯加氫生成環(huán)辛烯的反應中，常規(guī)的Ni催化劑選擇性僅為24，而采用粒徑為30nm的Ni時選擇性提高到210，是原來的9倍。

納米微粒具有大的比表面積，高的表面活性以及與氣體相互作用強等特性，導致納米微粒對周圍環(huán)境的變化十分敏感。如光、溫度、濕度、氣氛、壓強的微小變化都會引起其表面或界面離子價態(tài)和電子遷移的變化。這正滿足了傳感器功能上所要求的靈敏度高、響應速度快以及檢測范圍廣的要求。目前科學家已發(fā)現(xiàn)多種納米材料對一些特定的物質(zhì)具有敏感反應。

2.4 納米材料的電學、磁學效應

超順磁性是納米微粒的一大磁學特性。當納米微粒尺寸小到一定臨界值時，其磁化率就不再服從經(jīng)典的居里一外斯定律而進入超順磁狀態(tài)?？茖W家認為納米微粒出現(xiàn)超順磁性，其原因在于粒徑小于臨界值，各向異性能減小到與熱運動能可比擬時，磁化方向就不在固定的一個異磁方向。異磁方向作無規(guī)律的變化，這就導致了超順磁化的出現(xiàn)。磁性液體正是利用納米微粒的這一特性而制成的。磁液體是由具有超順磁性的強磁性微顆粒包一層長鏈有機分子的界面活性劑，彌散于一定的基液中形成的膠體，具有固體的強磁性和液體的流動性，在工業(yè)廢液處理方面有著獨特的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。

納米微粒進入臨界尺寸呈現(xiàn)出超順磁性，但在粒徑大于臨界尺寸時，卻表現(xiàn)出高的矯頑力。另外，當納米粒子的尺寸小到一定值時，每個粒子就是一個單磁疇，實際上就成為永久磁鐵。具有上述兩種特性的磁性納米粉是未來磁記錄材料的發(fā)展趨勢。磁記錄材料發(fā)展的總趨勢是大容量、高密度、高速度和低成本。例如，要求記錄材料具備每1cm2 記錄信息1000萬條以上，這就要求每條信息記錄在幾個平方微米內(nèi)，只有納米的尺寸才能達到這一點。磁性納米材料具有尺寸小、單磁疇結構、矯頑力高等特性，使得制作的磁記錄材料具有穩(wěn)定性好、圖象清晰、信噪比高、失真十分小等優(yōu)點。日本松下電器公司已成功研制出納米磁記錄材料，我國也開展了這方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。納米材料的主要應用[22]-[27]

借助于納米材料的各種特殊性質(zhì)，科學家們在各個研究領域都取得了性的突破，這同時也促進了納米材料應用的越來越廣泛化。3.1特殊性能材料的生產(chǎn)

材料科學領域無疑會是納米材料的重要應用領域。高熔點材料的燒結納米材料的小尺寸效應(即體積效應)使得其在低溫下燒結就可獲得質(zhì)地優(yōu)異的燒結體(如SiC、WC、BC等)，且不用添加劑仍能保持其良好的性能。另一方面，由于納米材料具有燒結溫度低、流動性大、滲透力強、燒結收縮大等燒結特性，所以它又可作為燒結過程的活化劑使用，以加快燒結過程、縮短燒結時間、降低燒結溫度。例如普通鎢粉需在3 000℃高溫時燒結，而當摻入0.1%-0.5%的納米鎳粉后，燒結成形溫度可降低到1200℃-1311℃。復合材料的燒結由于不同材料的熔點和相變溫度各不相同，所以把它們燒結成復合材料是比較困難的。納米材料的小尺寸效應和表面效應，不僅使其熔點降低，且相變溫度也降低了，從而在低溫下就能進行固相反應，得到燒結性能好的復合材料。納米陶瓷材料的制備通常的陶瓷是借助于高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的。由于納米材料粒徑非常小、熔點低、相變溫度低，故在低溫低壓下就可用它們作原料生產(chǎn)出質(zhì)地致密、性能優(yōu)異的納米陶瓷。納米陶瓷具有塑性強、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能，它還具有高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及光吸收效應，這些都將成為材料開拓應用的一個嶄新領域，并將會對高技術和新材料的開發(fā)產(chǎn)生重要作用。

3.2生物醫(yī)學中的納米技術應用

從蛋白質(zhì)、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結構也是生命現(xiàn)象中基本的東西。細胞中的細胞器和其它的結構單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機械”，細胞就象一個個“納米車間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級的結構精確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過程已成為啟發(fā)和制造新的納米結構的源泉，研究人員正效法生物特性來實現(xiàn)技術上的納米級控制和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學研究提供了新的契機。目前已得到較好應用的實例有：利用納米SiO2微粒實現(xiàn)細胞分離的技術，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細胞內(nèi)部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進行局部定向治療等。

正在研制的生物芯片包括細胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療。各式納米機械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術或微制造。

3.3納米生物計算機開發(fā)

生物計算機的主要原材料之一是生物工程技術產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，其運算速度要比當今最新一代計算機快10倍以至幾萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質(zhì)分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機能、自動修復芯片上發(fā)生的故障，還能使其模仿人腦的機制等。世界上第一臺生物計算機是由美國于1994年11月首次研制成功的。

科學家們預言，實用的生物分子計算機將于今后幾年問世，它將對未來世界產(chǎn)生重大影響。制造這類計算機離不開納米技術。生物納米計算機和納米機器人的結合體則是另一類更高層次上的可以進行人機對話的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數(shù)十億次操作，屆時人類的勞動方式將產(chǎn)生徹底的變革。

目前納米科學技術正處在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界為之震動，并引起關心未來發(fā)展的全世界科學家的思索。人們正注視著納米科學技術領域不斷涌現(xiàn)出的奇異現(xiàn)象和新進展，這一領域前景十分誘人。它與其它學科相互滲透和交叉，可以形成許多新的學科或?qū)W科群，其有關發(fā)展將對經(jīng)濟建設、國防實力、科技發(fā)展乃至整個社會文明進步產(chǎn)生巨大影響。

3.4新的國防科技革命

納米技術將對國防軍事領域帶來革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓練系統(tǒng)和戰(zhàn)場上的實時聯(lián)系；對化學、生物、核武器的納米探測系統(tǒng)；新型納米材料可以提高常規(guī)武器的打擊與防護能力；由納米微機械系統(tǒng)制造的小型機器人可以完成特殊的偵察和打擊任務；納米衛(wèi)星可用一枚小型運載火箭發(fā)射千百顆，按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，監(jiān)視地球上的每一個角落，使戰(zhàn)場更加透明。而納米材料在隱身技術上的應用尤其引人注目。在雷達隱身技術中，超高頻(SHF，GHz)段電磁波吸波材料的制備是關鍵。納米材料正被作為新一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應使得電子的能級分裂，分裂的能級間距正處于微波的能量范圍，為納米材料創(chuàng)造了新的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場的輻照下，運動加劇，增加電磁能轉化為熱能的效率，從而提高對電磁波的吸收性能。美國研制的“超黑粉”納米吸波材料對雷達波的吸收率達99％，法國最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復合材料，在2-7GHz范圍內(nèi)，其m￠和m￠￠幾乎均大于6。最近國外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復合材料，并提出了單個吸收粒子匹配設計機理，這樣可以充分發(fā)揮單位質(zhì)量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時，普遍兼?zhèn)淞吮?、輕、寬、強等特點。納米材料中的硼化物、碳化物，鐵氧體，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應用都將大有作為。

3.5其他領域

除此之外，納米材料還在諸如海水凈化、航空航天、環(huán)境能源、微電子學等其他領域也有著逐漸廣泛的應用，納米材料在這些領域都在逐漸發(fā)揮著光和熱。納米材料的應用前景展望

在未來的幾十年中，納米技術將逐步滲透到科學技術的各個領域，并在很大程度上改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活觀念。納米技術將影響的幾個領域[ 10][ 22]：

(1)海水脫鹽凈化技術。由于人口的快速增長，預計到2025年，全球?qū)⒂?8 個

國家、32%的人口面臨著缺水的困境。而解決缺水困難的根本出路就是海水脫鹽凈化技術，碳納米管的發(fā)現(xiàn)及納米技術的發(fā)展為這一技術提供了一種可能的發(fā)展方向。

(2)照明系統(tǒng)。在照明中用于制造發(fā)光二極管的半導體將逐漸在納米尺寸范圍內(nèi)制作，在納米尺度上制作的發(fā)光二極管的效率現(xiàn)在已經(jīng)可以與可見光譜上白熾光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低發(fā)熱特性，將很快在展覽、汽車照明燈、普通照明以及指示器中獲得廣泛應用。

(3)醫(yī)學和生物領域。納米技術將使適用于制藥的化學物質(zhì)的數(shù)量增加約1 倍；

可用尺寸為50-100nm的納米顆粒對腫瘤部位進行治療，因為更大的粒子無法穿過腫瘤上的小孔，納米顆粒卻能輕松進入腫瘤內(nèi)部；納米技術將使癌癥在僅有少量癌細胞出現(xiàn)的早期即被檢出。

(4)微電子和計算機。納米結構的微處理器的效率將提高100萬倍，并實現(xiàn)兆兆比特的存儲器，研制量子計算機和光子計算機。

(5)環(huán)境和能源。利用納米技術發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術，減少污染和恢復被破壞的環(huán)境；制備孔徑1nm的納米孔材料作為催化劑的載體，用以消除水和空氣中的污染；成倍提高太陽能電池的能量轉換效率等。利用納米材料特殊的磁、光、電等性質(zhì)，還可以開發(fā)出無以計數(shù)的新型材料，21世紀的納米材料必將在微電子、信息、能源、環(huán)保、通訊、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活等領域中發(fā)揮出巨大的作用，從而促進生產(chǎn)力的提高，推動社會的發(fā)展。參考文獻

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第五篇：石墨烯研究現(xiàn)狀及應用前景

石墨烯材料研究現(xiàn)狀及應用前景

崔志強

（重慶文理學院材料與化工學院，重慶

永川

402160）

摘要：近幾年來, 石墨烯材料以其獨特的結構和優(yōu)異的性能, 在化學、物理和材料學界引起了轟動。本文引用大量最新的參考文獻,闡述了石墨烯的制備方法如機械剝離法、取向附生法、加熱 SiC 法、爆炸法、石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學法、化學氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法等，分析了各種制備方法的優(yōu)缺點。論述了石墨烯材料在透明電極、傳感器、超級電容器、能源儲存、復合材料等方面的應用，同時簡要分析了石墨烯材料研究的現(xiàn)實意義，展望了其未來的發(fā)展前景。

關鍵詞：石墨烯材料；制備方法；現(xiàn)實意義；發(fā)展現(xiàn)狀；應用前景 中圖分類號: TQ323

文獻標識碼:A

文章編號:

Research status and application prospect of graphene materials

Cui Zhiqiang(Faculty of materials and chemical engineering, Chongqing Academy of Arts and Sciences, Yongchuan, Chongqing 402160)Abstract: In recent years, graphene has caused a sensation in chemical, physical and material science due to its unique structure and excellent properties.Cited in this paper a large number of the latest references, expounds the graphene preparation methods such as layer method, thermal mechanical stripping method, orientation epiphytic method, heating SiC method, explosion, graphite intercalation expansion stripping method, electrochemical method, chemical vapor phase deposition method, graphite oxide reduction method, ball milling method, and analyze the advantages and disadvantages of various preparation methods.This paper discusses the application of graphene materials in transparent electrodes, sensors, super capacitors, energy storage and composite materials, and briefly analyzes the practical significance of the study of graphene materials, and gives a prospect of its future development.Keywords: graphene materials;preparation methods;practical significance;development status;application prospect

0 引言

1985 年英美科學家發(fā)現(xiàn)富勒烯和1991 年日本物理學家Iijima 發(fā)現(xiàn)碳納米管，加之英國曼徹斯特大學科學家于2004 年成功制備石墨烯之后，金剛石（三維）、石墨（三維）、石墨烯（二維）、碳納米管（一維）和富勒烯（零維）組成了一個完整的碳系材料“家族”。從理論上說，石墨烯是除金剛石外所有碳晶體的基本結構單元，如果從石墨烯上“剪”出不同形狀的薄片，進一步就可以包覆成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管，堆疊成三維的石墨，如圖1 所示。由于石墨烯優(yōu)異的電學、熱學、力學性能，近年來各國科研人員對其的研究日益增長，已經(jīng)是材料科學領域的研究熱點之一。2010 年諾貝爾物理學獎揭曉[5-6]

[4]

[3]

[1]

[2]之后，人們對石墨烯的研究和關注越來越多，新的發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)。在不斷深入研究石墨烯的制備方法和性質(zhì)的過程中，其應用領域也在不斷擴大。由于石墨烯缺乏帶隙以及在室溫下的超高電子遷移率、低于銀銅的電阻率、高熱導率等，在光電晶體管、生化傳感器、電池電極材料和復合材料方面有著很高[7]的應用價值；由于它很低的電阻率和極大的載流子遷移率，人們很快發(fā)現(xiàn)了石墨烯在光電探測領域的潛能，并且認為將會是很具發(fā)展前途的材料之一。石墨烯材料的制備方法

1.1 石墨烯制備方法

目前，石墨烯的制備手段通?？梢苑譃閮煞N類型，化學方法和物理方法。物理方法，是從具有高晶格完備性的石墨或者類似的材料來獲得，獲得的石墨烯尺度都在80 nm 以上。而化學方法是通過小分子的合成或溶液分離的方法制備的，得到石墨烯尺度在10 nm 以下。物理方法包括：機械剝離法、取向附生法、加熱 SiC 法、爆炸法；化學方法包括石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學法、化學氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法。

這些制備方法有著各自的優(yōu)缺點，如機械剝離法簡單，可獲得高品質(zhì)的石墨烯，但重復性差、產(chǎn)量和產(chǎn)率很低;溶液液相剝離法制備過程簡單且未破壞石墨烯面內(nèi)原子結構，但該法效率低，而且單片層和多層石墨烯共存，很難將單片層石墨烯分離出來;外延生長法可制備得到大面積的單層石墨烯，但是該方法制備條件苛刻，需要高溫和高真空，且石墨烯難從襯底上轉移出來;化學氣相沉積法制備的石墨烯具有較完整的晶體結構，石墨烯面積大，在透明電極和電子設備等領域表現(xiàn)出很明顯的應用優(yōu)勢，但存在產(chǎn)量較低，成本偏高，石墨烯難轉移等缺點。

對比上述方法，還原氧化石墨烯法是指先將石墨在強酸和強氧化劑作用下進行氧化，制備氧化石墨烯(GO)，然后再還原除去含氧官能團制備石墨烯

［8］

盡管還原氧化石墨烯法制備的石墨烯不能完全消除含氧官能團，制備的石墨烯存在缺陷和導電性差等缺點，但是其宏量和廉價制備為其在聚合物復合材料等宏量應用研究中提供了機會。1.2 石墨烯基復合材料的制備

由于薄層石墨烯片合成方法的潛力巨大、成本低廉，所以石墨烯片作為新興填料在石墨烯復合材料上會有廣泛的應用。將石墨烯與無機物、聚合物等復合可以形成石墨烯復合材料。因為石墨烯具有獨特的優(yōu)異性能，能夠展示良好性能的石墨烯復合材料令人期待。Ｓ．Ｈ．Ｙｕ等

［9］

證實：在還原態(tài)石墨烯片上，通過在聚合醇中高溫分解前驅(qū)體乙酰丙酮鐵就可以成功合成磁性化還原態(tài)石墨烯。通過有效控制石墨烯片上的表面電荷密度和磁性納米顆粒的尺寸就可以調(diào)節(jié)復合材料的磁性，其獨特的性質(zhì)使其在磁共振成像或蛋白質(zhì)分離方面具有一定的應用潛力。目前，石墨烯基復合材料的制備方法主要有化學耦合法、原位還原－萃取分散技術、共沉淀法、催化還原反應

［10］

等。氧化石墨烯是結晶性高的石墨強力氧化后加水分解得到的化合物，與氟化石墨一樣可以歸類為有共價鍵的石墨層間化合物。氧化石墨烯片表面帶有大量親水性酸性官能團，具有良好的潤濕性能和表面活性，從而使其能在稀堿水和純水中分散，形成穩(wěn)定的膠狀懸浮液，這使得石墨烯與其他材料的復合形式多樣化。如Graeme等［11］將TiO2吸附在氧化石墨烯上通過紫外線輔助的催化還原合成了TiO2－石墨烯納米復合材［12］料；Nethravathi等通過氧化石墨烯與活性陰離子的復合，經(jīng)還原制備了石墨烯－無機物納米復合材料，說明氧化石墨烯的特殊結構使得石墨烯基復合材料的制備更容易以多樣化的過程實現(xiàn)。

石墨烯復合材料的制備是目前石墨烯研究中的一大熱點，因為雖然石墨烯本身的性能很好，但是與實際應用還有較大的距離，許多研究者希望通過石墨烯的復合達到在電學、電化學等領域?qū)嶋H應用的目的。石墨烯材料的應用研究

2.1 透明電極

工業(yè)上已經(jīng)商業(yè)化的透明薄膜材料是氧化銦錫(ITO), 由于銦元素在地球上的含量有限, 價格昂貴,尤其是毒性很大, 使它的應用受到限制。作為炭質(zhì)材料的新星, 石墨烯由于擁有低維度和在低密度的條件下能形成滲透電導網(wǎng)絡的特點被認為是氧化銦錫的替代材料, 石墨烯以制備工藝簡單、成本低的優(yōu)點為其商業(yè)化鋪平了道路。Mullen 研究組通過浸漬涂布法沉積被熱退火還原的石墨烯, 薄膜電阻為900 , 透光率為70% , 薄膜被做成了染料太陽能電池的正極, 太陽能電池的能量轉化效率為0.26%。2009 年, 該研究組采用乙炔做還原氣和碳源, 采用高溫還原方法制備了高電導率(1425S/ cm)的石墨烯,為石墨烯作為導電玻璃的替代材料提供了可能。

2.2 傳感器

電化學生物傳感器技術結合了信息技術和生物技術, 涉及化學、生物學、物理學和電子學等交叉學科。石墨烯出現(xiàn)以后, 研究者發(fā)現(xiàn)石墨烯為電子傳輸提供了二維環(huán)境和在邊緣部分快速多相電子轉移, 這使它成為電化學生物傳感器的理想材料。Chen 等采用低溫熱退火的方法制備的石墨烯作為傳感器的電極材料, 在室溫下可以檢測到低濃度NO2 , 作者認為如果進一步提高石墨烯的質(zhì)量, 則會提高傳感器對氣體檢測的靈敏度。石墨烯在傳感器方面表現(xiàn)出不同于其它材料的潛能, 使越來越多的醫(yī)學家關注它, 目前石墨烯還被用于醫(yī)學上檢測多巴胺、葡萄糖等。2.3 超級電容器

超級電容器是一個高效儲存和傳遞能量的體系, 它具有功率密度大, 容量大, 使用壽命長, 經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點, 被廣泛應用于各種電源供應場所。石墨烯擁有高的比表面積和高的電導率, 不像多孔碳材料電極要依賴孔的分布, 這使它成為最有潛力的電極材料。Chen 等

[ 13]

以石墨烯為電極材料制備的超級電容器功率密度為10kW/ kg , 能量密度為28.5Wh/ kg , 最大比電容為205F/ g, 而且經(jīng)過1200次循環(huán)充放電測試后還保留90% 的比電容, 擁有較長的循環(huán)壽命。石墨烯在超級電容器方面的潛在應用受到更多的研究者關注。2.4 能源存儲

眾所周知, 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、高化學穩(wěn)定性和高比表面積的優(yōu)點, 使其成為儲氫材料的最佳候選者。希臘大學Fro udakis 等設計了新型3D 碳材料, 孔徑尺寸可調(diào), 他們將其稱為石墨烯柱。當這種新型碳材料摻雜了鋰原子時, 石墨烯柱的儲氫量可達到6.1%(w t)。Ataca 等用鈣原子(Ca)摻雜石墨烯, 利用第一性原理和從頭算起的方法得到石墨烯被Ca 原子摻雜后儲氫量約為8.4%(w t);他們還發(fā)現(xiàn)氫分子的鍵能適合在室溫下吸/ 放氫, Ca 會留在石墨烯表面, 有利于循環(huán)使用。Ataca 的研究結果又一次推動石墨烯儲氫向前邁進一步。2.5 復合材料

石墨烯獨特的物理、化學和機械性能為復合材料的開發(fā)提供了原動力, 可望開辟諸多新穎的應用領域, 諸如新型導電高分子材料、多功能聚合物復合材料和高強度多孔陶瓷材料等。Fan 等

[14]

利用石墨烯的高比表面積和高的電子遷移率, 制備了以石墨烯為支撐材料的聚苯胺石墨烯復合物, 該復合物擁有高的比電容(1046F/ g)遠遠大于純聚苯胺的比電容115F/ g。石墨烯的加入提高了復合材料的多功能性和復合材料的加工性能等, 為復合材料提供了更廣闊的應用領域。圖3 對比了幾種納米填料對橡膠增強效率，可以看到石墨烯具有更顯著的增強效果

[15]

。展望

石墨烯自2004年以穩(wěn)定的形態(tài)出現(xiàn)以來，因其獨特的性能和二維納米結構受到科學界的普遍關注。無論在理論還是實驗研究方面，石墨烯都展示出重大的科學意義和應用價值。近年來，石墨烯的研究不斷取得重要進展，在石墨烯透明導電薄膜的結構、性能、制備等方面也已經(jīng)取得了很多的研究成果，但也存在不少問題。由于制作大面積石墨烯薄膜時會混入雜質(zhì)，產(chǎn)生缺陷，因此大多數(shù)以石墨烯薄膜為器件的導電性及透明性都未達到ITO的水平。為了使石墨烯透明導電薄膜達到實際應用水平，還需要繼續(xù)探索透明導電薄膜的制備方法以實現(xiàn)大面積化及量產(chǎn)化；開發(fā)有效的摻雜技術以使石墨烯薄膜具有理想的載流子密度；研究更有效的還原與結構修復方法以制備不含缺陷及雜質(zhì)的高品質(zhì)石墨烯薄膜。

理論上看，石墨烯是一種理想的太陽電池透明電極材料。然而，目前以石墨烯作透明電極的太陽電池光電轉化效率都低于ITO/FTO基太陽電池。這是由于采用各種方法制備的石墨烯電阻較大，影響了電池的光電轉化效率。所以石墨烯作透明電極的研究重點主要集中在如何采用合適的制備方法，獲得電性能、透光性、力學性能等綜合性能好的石墨烯。對石墨烯內(nèi)部的位錯、晶界、應變等缺陷進行理論模擬計算，并用來指導實驗研究，最終通過控制位錯、晶界等缺陷的運動，使其性能得到有效控制，實現(xiàn)理論指導實驗、實驗驗證理論、理論與實驗緊密結合。這是獲得大面積、高性能石墨烯的新的著眼點。另外，石墨烯作透明電極時，也會與太陽電池其它部分直接接觸。在未來的研究中，制備高性能石墨烯的同時，也應該關注太陽電池中石墨烯與其它部分的界面情況。

目前，關于石墨烯材料的制備和其在電化學領域的應用研究仍在如火如荼地進行。人們的研究主要集中于３個方面：一是石墨烯的低成本大規(guī)模制備的基礎研究，二是石墨烯基復合材料的制備與性能研究，三是石墨烯材料在相關領域的應用研究。隨著人們對石墨烯及其復合材料研究的深入以及制備方法的改進，石墨烯及其復合材料在電化學中的應用將會得到更為廣泛的關注。以下幾方面研究較少，值得關注：(1)石墨烯在鋰離子電池正極材料研究方面（如石墨烯／磷酸亞鐵鋰）；(2)含氮或硼石墨烯在電化學中的應用；(3)氧化石墨烯復合材料在燃料電池中的應用；(4)氧化石墨烯復合材料在電化學傳感器中的應用。與碳納米管的發(fā)現(xiàn)與研究應用過程類似，在今后的若干年里石墨烯的研究會越來越深入，其最終進入實際應用階段是必然的。石墨烯材料是當今世界新材料科技發(fā)展的又一制高點，對其深入研究與開發(fā)將給許多領域的發(fā)展帶來巨大機會。

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