石墨烯及其在陶瓷中的研究现状与前景分析

江期鸣，黄惠宁，何乾，戴永刚

（广东金意陶陶瓷集团有限公司，佛山528031）

石墨烯及其在陶瓷中的研究现状与前景分析

江期鸣，黄惠宁，何乾，戴永刚

（广东金意陶陶瓷集团有限公司，佛山528031）

石墨烯以其在力、热、光、电和磁等方面具有的优异物化性能和独特的二维结构成为国内外材料领域的研究热点。本文主要介绍了石墨烯结构、石墨烯性质、石墨烯制备方法、石墨烯表征方法、石墨烯复合材料的分类、石墨烯的问题及其应用，并对国内外石墨烯及其在陶瓷中的研究现状进行了评述，同时，分析石墨烯及其在陶瓷中的发展前景。

石墨烯；陶瓷；复合材料；研究现状；发展前景

（上续2017年第11期第7页）

4 石墨烯及其在陶瓷中的发展趋势分析

目前，石墨烯在全球范围都引起了高度关注。依据产品属性，石墨烯产业被分为上游、中游与下游三大块。上游是石墨开采与烃类物质加工等原材料生产产业。中游是石墨烯粉体、薄膜等产品的生产加工产业。下游是材料、电子、生物医药、环保等领域的石墨烯应用。因此，对于石墨烯及其在陶瓷中的发展趋势可以从以上三部分进行分析。

4.1 石墨烯的原材料产业

依据中国地质调查局调查称，我国石墨储量是世界总储量的33%，居世界第二，2.6亿吨矿储已证实，预估潜在还有18.7亿吨。另外，我国目前是世界第一大石墨生产国与出口、消费国。现今，中国有石墨矿山194座，其中分别有40座大型，19座中型，135座小型矿山，集中在内蒙古、黑龙江、河北和山东等地。因此，从以上信息可以看出，石墨烯的原材料供应还是十分充足的，这对整个石墨烯市场及其应用化非常有利。

4.2 石墨烯的生产加工产业

按照BCC Research研究预测，世界石墨烯市场规模在2018年将会有1.95亿美元，至2023年则会超13亿美元。但因为技术不成熟和成本高等限制，至今中国石墨烯行业还未能实现产业化，国家政策体系也在逐渐完善。但按照当前市场预估，国内石墨烯产业化会迅速得到发展。依据中国石墨烯产业技术创新战略联盟提供的数据表明：全球石墨烯市场到2020年会超1000亿元，新能源行业所包括的锂电池与超级电容市场将超534亿元，中国将会占50～80%的比例。

但目前因石墨烯生产过程尚未完善，行业标准的制定也就无法统一。石墨烯其实是一大类多功能材料的统称，同时存在很多的形式，例如粉体、浆料、薄膜等。但不同形式特点都有差异，比如有些可导电的，而其它则是绝缘的。另外，因生产商、原材料以及生产工艺不同，致使所制备的石墨烯性质、质量也有差异。且即便选择了适宜的的石墨烯材料与生产商，但仍可能会获得不一致的石墨烯，同一生产商不同批次的石墨烯会有波动，同一批次的石墨烯也可能会有不同。对于石墨烯材料的宽广定义，规范石墨烯的标准就显得格外重要。标准的缺乏会使得石墨烯间产生混淆，且会严重影响推进商业化，标准化将保证石墨烯的性质与质量，以及其应用化进程。

4.3 石墨烯及其在陶瓷中的应用

相对于石墨烯本身而言，石墨烯的制备方法，制造成本、生产质量限制了其在下游产业中的应用；对于石墨烯制备机理方面，需从分子与原子角度研究石墨烯与各组分的形成机制、形核、生长过程等的化规律；从微观上加强石墨烯表面功能化与制备其复合材料的热力学和动力学的研究。深入研究石墨烯复合材料的结构性能和制备过程间的关联，为优化石墨烯复合材料结构与制备方法提供理论依据。另外，石墨烯复合材料的结构优化和控制应得到实现。

从石墨烯在陶瓷中的应用研究角度出发，对于石墨烯陶瓷复合材料的性质会受到原料选择、成分配比、制备方法和工艺参数等的影响，所以，需加强以下方面的研究：拓展石墨烯陶瓷复合材料的种类和应用范围，优化石墨烯陶瓷复合材料的制备方法，研究石墨烯和陶瓷间互相作用所产生的独特性质，同时对两者间作用机理进行探讨，并经过理论模拟，为有关研究成果提供理论依据，以便控制复合材料性能。另外，当今关于复合材料的研究大多都聚焦在力学性能上，而掺入石墨烯对陶瓷电、热和磁性能方面的改善研究很少，希望以后的研究会更加全面完善。

另外，从石墨烯的原材料和生产加工分析来看，石墨烯的应用，特别是在陶瓷中的实际应用，应该考虑以下几方面。

4.3.1石墨烯陶瓷复合材料关于石墨烯基础原材料的选择

在制备石墨烯陶瓷复合材料时，需根据所需的特性选择不同形式石墨烯原材料，例如浆料、粉体、薄膜等不同形式石墨烯，亦或选择侧重于导热、导电、增韧等不同性质石墨烯。

4.3.2石墨烯原料一致性和标准的控制

因为现在石墨烯原料的一致性还较难控制，当制备石墨烯陶瓷复合材料时，要先做足准备，来确保实际应用参数，且预估材料的变化，同时提前设计应对方案。

4.3.3成本和利润的考虑

碳本身大量存在，石墨烯价格也应会适宜。但是，由于制备工艺与生产量局限等原因，导致现在其价格很高，市场价格1 RMB/g的产品，大多数还都是5～10层，客观上只算薄片石墨而称不上石墨烯，而真正的单层石墨烯价格还会高很多。石墨烯要实现产业化，还需依靠下游行业的刚性需求，同时石墨烯制备成本首先要降到0.1 RMB/g以下，但这是个漫长的过程，初始材料成本依旧十分高。值得一提的是运输与储存是石墨烯项目成本和可行性的重要方面应引起重视，类型不同的石墨烯对储存与运输条件要求会有差异。目前石墨烯项目，虽然研究与应用正在逐步进行，但是石墨烯的商业化还未能完全实现，利润可能还无法达到预期。

5 结论

5.1 石墨烯产业全球初步化

现在，美、英、日等八十多个国家已投入了石墨烯材料的研究应用，少数已明确产业化方向并开始形成产业链，这预示着石墨烯产业进入产业化初期。

5.2 国内石墨烯产业群逐渐成型

中国石墨烯项目聚集区域主要是四个：珠江三角洲地区、长江三角洲地区、京津冀区域与山东地区，其它地区也正在逐渐形成独特的区域性石墨烯产业集群。

5.3 我国石墨烯产业现仅处研究阶段

虽然中国有关于石墨烯的论文与专利数量上都已占据世界领先位置，但具有原创性、突破性的研究成果十分少，市场也十分无序。有关石墨烯产业的现状还仅停留在研究阶段，离实现产业化还是有很大的差距。

5.4 石墨烯陶瓷复合材料国内外研究甚少

国内外对石墨烯复合材料的研究主要聚焦于石墨烯改性聚合物，而石墨烯无机纳米复合材料相关研究相对甚少，制备方法和原理思路都是借鉴前者，石墨烯陶瓷复合材料则更少。

5.5 石墨烯可显著提升陶瓷材料性能

石墨烯在陶瓷基体中可均匀分散，而且石墨烯优异的物化性能，可明显提升石墨烯陶瓷复合材料的机械、电学与热学等性能，陶瓷的脆性、绝缘性等性质能得到完全改变，最终获得具有特殊性能的结构功能一体化陶瓷复合材料。

5.6 石墨烯陶瓷复合材料目前主要研究体系

石墨烯陶瓷复合材料当前集中研究的体系主要包括氧化物、氮化物和碳化物体系等。

5.7 石墨烯陶瓷复合材料需系统化研究

现在关于石墨烯复合材料的研究大多都聚焦在力学性能上，而掺入石墨烯对基体电、热和磁性能方面的改善研究很少，以后需对石墨烯陶瓷复合材料的原料种类、制备方法、作用原理、应用范围、性能与作用进行系统的研究。

5.8 石墨烯电热膜是石墨烯陶瓷复合材料的一个重要研究方向

石墨烯电热膜是一个值得培育的有前景的产业。石墨烯与陶瓷结合材料，重点方向是提高导电和传热效率。

6 结束语

目前，石墨烯不论是研究还是应用，都表现出了极大意义与价值，并在很多领域取得了相关成就。同时，有关于石墨烯复合物材料的研发也为石墨烯的应用提供一定的理论基础。而我国对于石墨烯及其复合材料依旧处于研究阶段，想实现产业化还面临很多问题和挑战。

另外，石墨烯在陶瓷材料中的应用总体而言更还是处于起步阶段，石墨烯在陶瓷中的应用只是众多应用渠道中的一种，希望将来可拓宽其可实际应用的领域。石墨烯在陶瓷中应用的可行性、原料品种、应用方法、使用量、成本与性价比、产品类型、市场前景等问题还值得深入探讨。

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Research Status and Prospect Analysis of Graphene and Its Application in Ceramics

JIANG Qi-ming,HUANG Hui-ning,HE Qian,DAI Yong-gang
(Guangdong Kito Ceramics Group Co.,Ltd.,Foshan,Gongdong,528031)

Graphene has become a research focus in the field of materials both at home and abroad due to its excellent physical and chemical properties,such as mechanical,thermal,optical,electrical and magnetical properties,and its unique two-dimensional structure.This paper mainly introduces the structures of graphene,the properties of graphene,graphene preparation methods,characterization methods of graphene,classification of graphene composites,the problems of graphene and the application of graphene.Besides,the domestic and foreign research status of graphene and its application in ceramics are reviewed.At the same time,the development prospect of graphene and its application in ceramics are also analyzed.

Grapheme;Ceramics;Composite materials;Research status;Development prospects