石墨烯是什么？性能和应用领域介绍

1 石墨烯是什么

2004年有人利用微机械剥离法从石墨中分离出的一种由碳原子以 sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，取名石墨烯，英文名是Graphene，其是一层碳原子构成的二维晶体。

2 石墨烯的结构

相比其他有机高分子材料，石墨烯具备较为独特的原子结构和力学特性，其σ键和其他碳原子链接组成六角环的蜂窝式层状结构，每个碳原子的pz轨道(垂直于层平面的)能够组成贯穿全层的多原子的大π键，所以导电性能和光学性能都很优异。石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130Gpa，是已知强度最高的材料之一，其韧性优良，能够弯曲，被誉为“新材料之王”、“黑金”。

3 石墨烯分类

石墨烯根据不同的层数分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。根据功能化形式分为氧化石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯等。根据外在形态分为片、膜、量子点、纳米带或三维状等。

4 石墨烯的优异特性

(1)超强导电性：石墨烯的载流子迁移率约为15000cm²/(V·s-250000cm²/(V·s)，受温度变化的影响较小，为已知载流子迁移率最高的物质，这一数值为硅的100-1000倍，为锑化铟(InSb)的两倍以上。面电阻约为31Ω. (sq)⁻¹，电阻率约为10−6Ω.cm，是目前室温下电阻率最低的材料。

(2)良好导热性：导热系数高达 5300W/mK，是导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)、多壁碳纳米管(3000W/mK)和金刚石(2000W/mK)。

(3)溶解性：在非极性溶剂中表现出良好的溶解性，具有超疏水性和超亲油性。

(4)高柔性：韧性良好，弯曲不影响优异的性能。

(5)高强度：石墨烯的理论杨氏模量达 1.0TPa，固有的拉伸强度为 130GPa，断裂强度为 125GPa，是迄今为止常用功能材料中强度和硬度最完美的，比钻石和金刚石的硬度都要高出许多，优质钢铁的200 倍。

(6)良好透光性：在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加 2.3%。石墨烯优异的光学性能不会随着平面尺寸增大而明显减弱。

(7)渗透率：碳六元环结构，高致密，He无法穿透;孔隙可修饰。

5 石墨烯的制备方式

石墨烯粉体主要由球磨剥离法、液相剥离法和氧化还原法等制备，其中氧化还原法制备的石墨烯粉体层数最少，是目前最常采用的方法。

6 石墨烯的应用领域

(1)电器工业：锂电池电极，新能源电池超级电容器，晶体管，柔性显示屏，感光元件

(2)化学工业：防腐材料、催化剂载体、传感器

(3)冶金工业：耐火材料：耐火砖，坩埚，耐高温材料，铸模芯，连续铸造粉和铸模洗涤剂

(4)铸造业：铸模和防锈涂料

(5)机械工业：机械高速运转的润滑剂，过滤器，储氢材料

(6)核工业：用作原子反应堆中的中子减速剂和防护材料

(7)航天工业：火箭发动机尾喷管喉衬，火箭和导弹的隔热、耐热材料，人造卫星上的无线电连接信号和导电材料结构

(8)轻工业：玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂，制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石的原料

来源

《【研报】新材料行业专题系列报告（三）：石墨烯前景广阔的二维纳米材料-20200820（24页）.pdf》

《石墨烯行业：政策扶持力度加大产业化稳步推进-160111（29页）.pdf》

《石墨烯行业专题报告：产业化进程加速未来市场空间巨大-160325（44页）.pdf》