论石墨烯在民用方向的发展及前景

李振兴　林白颜

摘要：石墨烯，一种跨时代的新材料，可广泛应用于航天、军工、电子、生物医学等领域，是世界上最轻最薄、载流子迁移率最高、电流密度耐性最大、强度最大最坚硬、导热率最高的工业材料。随着科技的发现，石墨烯产品已经逐步进入百姓日常生活，使得我们的生活更加快捷、更加便利。笔者主要从石墨烯在民用方向的发展为前提，结合近几年的相关新闻报道，从石墨烯的发现、发展、现状及前景等方面进行论述。

关键词：石墨烯；发展；特性；应用

一、石墨烯的问世

石墨烯是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。通俗来讲，铅笔芯用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起。

2004年，来自曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖诺夫首次成功分离出稳定的石墨烯，两人因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。这一发现揭开了新能源革命的新篇章。

二、石墨烯发展历程

早在1934年，朗道和佩尔斯就提出准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解。

1947年，菲利普·华莱士开始研究石墨烯的电子结构。

1956年，麦克鲁推导出了相应的波函数方程。

1960年，林纳斯·鲍林曾质疑过石墨烯的导电性。

1966年，大卫·莫明和赫伯特·瓦格纳提出Mermin-Wagner理论，指出表面起伏会破坏二维晶体的长程有序。

1984年，谢米诺夫得出与波函数方程类型的狄克拉克方程。

1987年，穆拉斯首次使用“graphene”来命名石墨烯。

因此二维晶体石墨烯作为研究碳质材料的理论模型，一直未受到广泛关注。

直到2004年，来自曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖诺夫首次成功分离出稳定的石墨烯，而他们分离的方法也极为简单，他们把石墨薄片粘在胶带上，把有粘性的一面对折，再把胶带撕开，这样石墨薄片就被一分为二。通过不断地重复这个过程，片状石墨越来越薄，最终就可以得到一定数量的石墨烯。

三、石墨烯的特质

石墨烯作为21世纪的新型材料，有许多特质可称之为“最强”。

（一）最轻最薄：1克石墨烯展开面积可达2630m²，单层石墨烯厚度仅为0.34nm，是普通A4纸的十万分之一。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。

（二）载流子迁移率最高：理论值为100万cm²/vs。而来自哥伦比亚大学的Kirill Bolotin团队称电子在石墨烯中迁移速率可以达到25万cm²/vs，超过硅100倍以上，且迁移率大小几乎不随温度变化而变化。

（三）电流密度耐性最大：理论值可达2亿A/cm²（为铜的100倍）。

（四）强度最大最坚硬：破坏强度55N/m。在石墨烯样品微粒开始碎裂前，其每100纳米距离上可承受的最大压力达到约2.9微牛。这一结果相当于施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂，杨氏模量与金刚石相当。

（五）导热率最高：石墨烯的导热能力出众，达到了5000W/（m·k），是金刚石的五倍，与CNT相当。

（六）延展性及抗压性：石墨烯具有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用1m²的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，但可以承受1kg的重物。

（七）渗透性：具有“针插不进，水泼不进”的零渗透特征。

（八）其他特质：多国科学家正在积极研究石墨烯所拥有的其它特质，如：

1.已在低温下确认具有一定吸氢功能效果。

2.无需添加剂可实现CMOS构造的半导体元件。

3.常温下可实现无散射传输，英特尔等公司正在积极研究。

四、中国在石墨烯领域的地位

在石墨烯领域，提到中国，那就不得不提其储量。据统计，我国石墨矿储量超过20亿吨，占世界总储量的75%，生产总量的72%。当之无愧的石墨烯原材料第一大国。

中国是目前石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一。截至目前，全球在石墨烯领域提交的专利申请量超过1.3万余件。在所有国家中，中国石墨烯专利申请最多，已超过2200项，占世界的三分之一。此外，美国超过1700项，韩国不到1200项。

2013年7月13日，中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。

2014年12月，中国国家主席习近平同志赴江苏高新技术产业研究院，参观调研石墨烯研发情况（或现状），对石墨烯产业寄予厚望。

2015年，中国国家主席习近平同志前往英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院参观，并指出中英在石墨烯研究领域完全可以实现“强强联合”。

同年，石墨烯产业已被纳入国家战略布局。《中国制造2025》首个重点领域技术路线图把它列为前沿新材料之一。中国“十三五”规划明确提出将加快突破新材料等领域核心技术的研发。工信部等部委也联合发文，提出要将石墨烯产业打造成先导产业。

地方政府也对石墨烯发展提供了大力支持。2011年起，中国先后建立了5大石墨烯产业园区，并逐步形成了新型的资本链条助力产业发展。

（一）常州石墨烯科技产业园为国内首个基于石墨烯材料及应用的产业化基地。

（二）青岛石墨烯产业园区定位为大型石墨烯生产基地。

（三）重庆石墨烯产业园构建产学研相结合的产业链接集群。

（四）宁波石墨烯产业园区着力打造全球最大的石墨烯原材料生产基地。

（五）无锡石墨烯产业园区为国内首个石墨烯产业技术研发及产业应用示范基地。

五、石墨烯在民用方向发展前景

华为CEO任正非说过：硅的发现改变了二十世纪，而石墨烯将颠覆二十一世纪。

随着科研的发展及石墨烯具有高导电性、高韧度、高强度、超大比表面积等特点，石墨烯系列产品已从航天、军工、电子、生物医学等领域已逐步走进百姓生活。

（一）计算机芯片材料

硅的发现我们迈入了数字化时代，而高信息的传输则需要更快的数据传输速率。而石墨烯的特性尤其适合于高频电路，由于电子在石墨烯中迁移速率比现使用的硅高200倍，世界多国科学家正在研究使用石墨烯做晶体管实现突破，那么未来的计算机芯片频率可以达到500GHz以上。而石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到太赫兹，即1千兆赫兹的1000倍。

（二）石墨烯聚合材料电池

美国西北太平洋国家实验室（PNNL）及美国普林斯顿大学教授IlhanAksay的研究小组在2010年7月宣布，通过向锂离子充电电池的电极中添加少量石墨烯，不仅可保持原来的能量密度，还可大幅提高输出功率密度。

西班牙Graphenano公司（一家以工业规模生产石墨烯的公司）同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。

美国科学家研发出一种新型石墨烯超级电容器，其充电速率远远高于普通电池，用其为一部苹果手机充满电仅仅需要5秒钟，且由于石墨烯极好的导热性，手机电池发热的问题也基本解决。

2014年美国高通公司在首届电动汽车方程式锦标赛中推出了Halo车用无线充电系统（静态无线充电技术）。2016年世界移动通信大会上，高通总裁Derek Aberle提到：“未来公路上可能设有充电设备，电动车行驶在路上就可以实现自动充电。”随着现在无线充电技术的不断完善，相信在不久的将来汽车用户就不需要去加油站排队或从家里拉出长长的电线为爱车加油，他们只需要行驶经过含有无线充电装置的路段时即可实现边行驶边充电，加之石墨烯电池的快速充电特性，在不久的未来电动汽车可实现永久续航。

（三）智能手机触控屏

智能手机触控屏的性能提升将直观地改善用户操作体验。2015年11月，常州二维碳素科技股份有限公司与深圳贝特莱电子科技股份有限公司联合推出了全球首款石墨烯压力触控传感器，这一技术应用于智能移动终端电子产品上，可实现多级按压感应、轻按、轻击、指甲敲击、壳体振动等多项功能。

2015年3月，影驰（GALAPAD）联合重庆石墨烯科技有限公司发布了首批石墨烯手机，彻底解决了手机存在的触控不灵敏、画质暗淡、耗电快、充电慢、发热严重等问题。

（四）石墨烯光学调制器

美国加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室组成的研究团队使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，只有头发丝四百分之一粗细的光学调制器具备高速信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。

（五）高性能传感器功能

由新加坡南洋理工大学助理教授Wang Qijie研究的石墨烯图像传感器能够检测广谱光，感光能力比传统传感器强1000倍。这意味着即便是在昏暗的光线环境中，这类传感器依然能够捕捉到较为清晰的物体影像。

（六）可弯曲的显示设备

由于石墨烯的超高轻度、高透光性以及超强导电性等特质，是制造可弯曲显示设备的理想材料。2016年1月，LG公司宣布将在CES2016大展发布世界首款18英寸可弯曲显示屏，并称该屏幕可像报纸一样卷起来。同年2月18日，加拿大女王大学人类媒体实验室成功研制出搭配LG公司柔性触摸屏的手机“ReFlex”，使得许多智能手机的操作只需要弯曲一下屏幕就能做到。

六、结束语

由于石墨烯的诸多特质，使得它可以应用到世界各个领域。其中，我们显而为知的还有：航空航天材料、高效率导体、高强度材料、石墨烯物理实验平台、高性能太阳能电池等。

2015年，在青岛举办的中国国际石墨烯创新大会上，石墨烯理疗、保暖产品、LED用高导热石墨烯复合材料、石墨烯防弹材料等20余种石墨烯产品已全新推出。

总体来说，对石墨烯的研究才刚刚起步，人们对其物理、化学、电子性质的了解还不够透彻。随着世界各国对石墨烯产业的不断投资研发，相信在不久的将来，我们的生活会因为石墨烯而彻底改变。