浅析石墨烯的制备及产业的应用前景

浅析石墨烯的制备及产业的应用前景

吴云桂

（南京中电熊猫液晶材料科技有限公司，江苏 南京 210033）

摘 要：石墨烯是一种单原子层薄膜，由于其独特的能带结构，因此有着优异的性能，使其在显示屏、触摸屏应用中能够发挥巨大的潜能。该文阐述了石墨烯的制备方法及其优缺点，尤其是利用化学气相沉积法制备得到石墨烯样品的方法。石墨烯产业链在我国的发展中还有许多问题亟待解决。由于有着政府支持、储能丰富、产业化方向明确等优势，其未来的应用前景非常广阔。关键词：石墨烯； 制备方法；气相沉积法（CVD）；显示产业中图分类号： TQ127 文献标志码：A

１　石墨烯的应用领域

由于石墨烯具有较高的载流子迁移率（200 000 cm2/Vs）、

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较高表面面积（2 630 m/g）、较高的导热系数（约5 000 W/mK）、强大的杨氏模量（约1 TPa）、拉伸强度为130 GPa、高透过率（97.5 %）和很好的韧性等特点，所以石墨烯的应用领域非常宽广，其主要应用在以下8个方面。

性，从而使其可以在很多传感领域得到应用。象光传感器、电磁传感器、应力与质量传感器以及化学与电化学传感器。

１．３　晶体管

IBM产品中已把石墨烯晶体管的工作频率提高到100 GHz，超过同等尺度的硅晶体管。

１．１　柔性显示屏

可弯曲屏幕将成为未来移动设备、显示屏的发展趋势。利用石墨烯的高透过性（97.7 %），采取多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏，使柔性显示在未来的市场会有更加广阔的发展前景。

１．４　新能源电池

解决了新能源汽车以往存在的容量小、充电时间长的难题，对新能源汽车、电池产业的发展起到了积极、加速作用。

１．５　航空航天

由于石墨烯具有超值的强度和韧性，可以用它来制造“太空电梯”的缆线。

１．２　传感器

由于每个原子都与感应环境相接触且石墨烯的电学属性可以通过这种接触而改变。因此石墨烯有着独特的物理属

１．６　感光元器件

其感光能力比 cmOS或CCD提高了上千倍，而耗能仅为10 %。

陶瓷隔离膜具有极高的诊断温度及热闭孔温度，整体产品热熔安全性较高。

另一方面，由于锂离子电池无纺布陶瓷隔离膜表层具有致密的三氧化二铝颗粒，因此形成非直通孔径，即锂离子电池内部流通的正离子运转通道的曲折度较高。此时锂离子无纺布隔膜的液体储存能力、安全性能也会适当提高。同时基于锂离子电池电解液氢氟酸强腐蚀性，其极易与三氧化二铝颗粒产生置换反应，最终生成三氟化氯，电解液酸度增加，电极材料周边绝缘碱性物质腐蚀风险也增加。而通过无纺布膜隔离作用，可延缓电极材料腐蚀速度。

表1 锂离子电池无纺布隔离膜热收缩实验结果

隔离膜在２００　℃　３　６００　ｓ热收缩实验隔离膜在１５０　℃　３　６００　ｓ热收缩实验

长度方向热收宽度方向热收长度方向热收

宽度方向热收缩率／ＴＤ

缩率／ＭＤ缩率／ＴＤ缩率／ＭＤ

ＰＰ熔融态３０　％３．１　％无纺布陶瓷隔

２．０　％０．６　％１．６　％０．１　％

离膜

隔作用，不会出现高温情况下，由于锂离子电池隔离膜热收缩导致的正负极短路情况。

４　结语

随着动力锂离子电池的不断发展，对锂离子电池隔离膜性能也提出了更高的要求。因此，相关研究人员可综合分析隔离膜生产阶段隔离膜机械性能、隔离膜成分、隔离膜耐热性能、隔离膜DSC性能等。根据无纺布隔离膜透气性强、热稳定性高的特点，自主研发及生产锂离子电池隔离膜，为我国高新科技产业的发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1]贺磊，陈宗明，迟婷玉，等.锂离子电池PET/TENCEL无纺布陶瓷隔膜研究[J].化工新型材料，2014（7）：45-47.

[2]常毅，黄阔，丁志英，等.锂离子电池隔膜特性的试验研究[J]. 科技创新导报，2017（24）：90-92.

３．５　锂离子电池隔膜耐热性能分析

该次试验使用的锂离子电池隔膜主要以无纺布为基础，

为增加隔离膜耐热性能，在无纺布隔离膜双面均匀敷设了陶瓷粉末。由表1可知，无纺布陶瓷隔离膜基体孔隙率远大于一般隔离膜，表明其水分吸收能力、电解液通过速率较高。因此，在锂离子电池无纺布隔膜制备期间，应控制水分含量。

由表1可知，将无纺布隔离膜、PP隔离膜分别放置在高压热风箱内，温度调节至200 ℃、150 ℃，静置3 600 s，发现无纺布隔离膜收缩率远低于PP隔离膜收缩率，且可以在高温环境中维持以往形态，起到正常的锂离子电池正负极阻

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高 新 技 术

１．７　复合材料

植入石墨烯芯片的瓷砖，其不仅十分节能，传统的地暖每月耗电2 500元左右，而石墨烯地暖每月耗电700元左右，2019 NO.2（上）中国新技术新产品式触摸屏、电容式触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏等，无论是电容式触摸屏还是电阻式触摸屏，其最为核心的部件就是中间的 ITO 导电层，ITO 材料的透光性和而且，传统的地暖高度达7 cm~12 cm，而石墨烯地暖的高度仅2.1 cm，同时也解决了维修难的问题。

１．８　军事设备上

石墨可以制造出超坚韧的防弹衣。

２　石墨烯的制备方法及优缺点

石墨烯产品主要是以粉末和薄膜2种形式存在的。石墨烯的制备方法主要有4种，并且它们的优缺点也比较明显。

２．１　微机械剥离法

微机械剥离法利用胶带或其他方式定向分离高定向热解石墨，其中最具代表性的就是磨球分离法。磨球分离法通过磨球对石墨施加压力产生平行于石墨的切向力，保证在克服石墨烯之间的范德华力的同时，尽量防止石墨断裂，使石墨烯层与层之间发生相对滑动，最终产生高质量的石墨烯。微机械剥离法最大的优点就是制取方式简单，产物质量高；而缺点就是可控性较低，还不能实现工业化生产。

２．２　液相剥离法

溶剂剥离法的原理是首先制备低浓度的石墨分散液，利用超声波等方式使溶剂插入石墨层间，进而经过层层剥离，最终制备出石墨烯。液相剥离法的优点是制备石墨烯的过程简单，绿色环保；而缺点是其有机溶剂价格高，制备过程耗时长，还不能实现工业化生产。

２．３　氧化还原法

氧化还原法是使石墨在溶液中受强氧化剂和强酸作用被氧化，从而得到氧化石墨，再通过超声等外力作用，较为容易地分离开氧化石墨烯。氧化还原法的优点是产量高，是目前使用最广泛、最有希望大规模工业化生产石墨烯的方法；缺点是质量不高，环境污染，由于使用到硫酸、硝酸，因此存在着较大的危险性。

２．４　化学气相沉积法

化学气相沉积法（CVD）是使碳氢化合物在气态条件下发生化学反应，再加热固态的基体表面沉积，进而获得质量较好的石墨烯。化学气相沉积法的优点是能生产出高质量、大面积的石墨烯，可实现工业生产；缺点是成本高，分离石墨烯与基地时会消耗大量的酸，对环境产生污染，所以石墨烯的制备工艺还需完善。

３　石墨烯在彩色滤光片及触摸屏上的应用

该公司目前的主要产品是彩色滤光片，但在初期项目设

计时，已经考虑到了触摸屏的制作，购置的设备可兼顾到生产触摸屏；石墨烯薄膜也会在彩色滤光片、触摸屏中替代ITO材料-氧化铟、氧化锡。

现今，随着社会经济科技的发展，人类的生活时刻都在改变，人们的需求也在不断地变化。触摸屏技术让人们的娱乐、生活变得更快捷、更方便。触摸屏的种类很多：象电阻

导电性都非常好，但由于其主要成分是氧化铟、氧化锡 InO、SnO，其中铟是一种稀缺金属，在ITO材料的制备中成本较高。石墨烯较高的透光率（97.7 %）和导电性可以和现今的ITO材料相媲美，因此用石墨烯薄膜来代替传统的ITO薄膜。为了使现在或未来的产品能够降本增效，就必须对石墨进行进一步的了解，以便让石墨烯产品应用到公司产品中去。

４　石墨烯产业发展中存在的问题

石墨烯应用领域非常广阔，中国在石墨烯及复合材料方面申报的专利达万件。但同时我们也应该认识到，目前在我国产品以中小企业和创业企业为主，它们缺乏足够的技术支持和资金支持，对市场认识有限，了解市场的渠道不多，这些问题在不同程度、不同层面上限制了我国石墨烯产业的发展。另外，我国石墨烯的制备技术、制备设备还比较落后；研发制备企业与石墨烯的下游应用企业脱节。石墨烯产业最大的瓶颈就是还没有形成完整而且成熟的产业链。同时，目前制备方法中能够大规模生产的方法很多都会污染环境，并且会用到硫酸、硝酸等强酸，因此存在很大的危险性。

５　石墨烯产业的前景分析

中国的石墨烯产业已被列入《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和“中国制造2025”重点发展领域，表明政府已经意识到未来石墨烯产业会给中国的经济发展做出巨大贡献，已经看到了我国石墨烯领域的研究水平在国际上具有很强的竞争力，我国工信部将会以开发中遇到的问题为导向，以终端产品的需求为牵引，帮助企业完善产业链，到那时，我国已申报的专利项目中必定会有许多含有创新技术的专利转换成产品，走进普通老百姓的生活中。我国是石墨烯生产原料储能最丰富的国家，2015年全国石墨的产量是86万吨，是世界总量的67.7 %，我们不仅能自给，而且还能出口。所以，要坚信有政府支持、有丰富的矿源、有一大批专利、有强大的技术研发中心，石墨烯必然会在更多的领域中得到应用和发展。

６　结语

石墨烯的发现和研究具有颠覆性，具有深远的科学意义和显著的应用前景，其优异性能也日益受到人们的重视。石墨烯的制备也取得了较大进展。随着新技术、新产品的开发，石墨烯将会在人们的生活中得到应用。同时，我们知道石墨烯制备的工艺还需进一步完善，还要构建石墨烯的产业链，只有这样石墨烯产业链才会更好地为人们服务。

参考文献

[1]孔彬.新型显示技术发展研究[J].中国数字电视，2012：54-57.

[2]陈集思，武斌，刘云圻.介电层上石墨烯的制备[J].化学学报，2014，72（3）：359-366.

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