石墨烯复合材料应用最新研究进展

程扬帆

（湖北科技学院，湖北 咸宁，437000）

1 石墨烯复合材料及其应用前景

1.1 定义与特性

石墨烯被称为“单层石墨片”。它是一种二维的结构，密集的碳原子与石墨的单原子层十分类似，是一种新型碳材料。石墨烯的多种优点造就它多种用途，比如它的比表面积大，可以用于吸附和环境治理；机械强度高可以用于航空航天等；载流子迁移率高可以用于半导体与电容等设备。应用的环境非常广泛，随着石墨烯新型材料国内外发展，石墨烯不但可以显著提升传统产业，还可以为高端制造业的发展提供推力。

1.2 国内外石墨烯复合材料发展趋势及应用前景

目前，世界上有很多关于石墨烯的讨论。2012年，有近2万篇关于石墨烯研究的论文被纳入科学研究。中国和美国是前两个国家。与此同时，其他国家也积极参与石墨烯相关专利申请的布局。截至2013年6月，它已申请了3,000多项相关发明专利。从2006-2017年，国内和国际研究呈上升趋势。在“十一五”期间，石墨烯复合技术的发展还处于起步阶段，国内外研究的数量相对较少。在“十二五”期间，国外开展了研究，主要集中在石墨烯的制备和化合物的研究上。随后，石墨烯复合材料的研究进入了快速发展阶段。在过去两年中，研究数量已超过以前的总数。其中，国外研究数量急剧增加，工业化进程不断推进，国内则在重点领域不断扩展提升。

由于石墨烯的重要特性和巨大应用价值，全球多个国家将其定义到发展战略高度。比如亚太地区的日本和中国，美国、以及欧洲欧盟等区域国家。这其中不少国家投入的研究和开发金额达到十亿美元，专门用来研究用于石墨烯材料。美国科技发展战略同样包括石墨烯技术。各国企业也积极进行石墨烯产业的布局，相关开发和研究涉及多家公司，像比如洛克希德·马丁、波音、三星、IBM、杜邦、陶氏化学、索尼等巨头均在公司名单中[1]。

2 石墨烯复合材料国内外应用进展

由于石墨烯具有多种独特的优点，将它作为复合材料的填充相，就可以增强材料的相应性能，这就为它的应用提供了多种方向。比如国内外相关研究应用于能量储存、液晶器件、电子器件，而在其他领域比如生物材料、传感材料和催化剂载体等也有较多的报道。随着对石墨烯复合材料研究的不断深入，它应用也越来越受到人们的重视。

2.1 石墨烯储能复合材料应用

锂电池是当前用途最广泛的电池能源，锂电池整体性能提升的关键是开发新的电极材料。石墨烯作为一种新型碳质材料，加入到锂离子电池中能够大幅提高其导电性，因为它为锂离子电池解决了两个问题，大幅度提高能量密度与大幅度提高功率密度。相对应的，石墨烯就可以作为电池导电的添加剂了。国内也有报道将它作为复合电极材料的正负极[2]。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘兆平团队利用石墨烯构建了一种覆盖磷酸铁锂纳米粒子的高效三维导电网络，大大提高了磷酸铁锂正极材料的电化学性能。该项目已在宁波艾能锂电料科技有限公司试线。此外，清华大学康飞宇教授团队和鸿纳 (东莞)新材料科技有限公司开发了石墨烯作为锂离子电池的导电助剂，已小批量使用[3]。

美国加州大学的研究人员发明了一种微型超级电容器，它使用的记录仪可以在几秒钟内为手机或汽车充电。其充放电速度比标准电池快100～1000倍。原理是盘上的氧化石墨烯可以在激光照射下被还原和剥离，因此可以用在电容器或可充电电池中。Nanoek Instruments还开发了基于石墨烯的超级电容器。将电极与石墨烯和5%（质量分数）乙炔黑混合，当电解质通过卷曲和弯曲的石墨烯片结构时，它可以以大比例与石墨烯的表面接触，从而提高能量储存能力，该超级电容器室温下能量密度可以大幅提高。

2.2 石墨烯导热、散热复合材料应用

目前，市场上电子产品的散热主要是石墨导热散热片，苹果、三星、国产小米手机等的散热片均为石墨制成。石墨烯制备的散热膜性能要远大于石墨片，其多层片状结构在散热时可使局部热点温度通过特性结构气流快速散去，气温明显下降。美国对于此项研究做测试，并将普通碳纳米管作为对比，单层石墨烯的导热系数一般在5300W/m·K，相较于纳米管的3000W/m·K，导热系数的提升，是非常明显的。

我国对于散热方面的研究也在进行，比如贵州新碳高科有限责任公司推出柔性石墨烯散热薄膜。基本核心仍然是石墨烯微片层状结构，它的主要原料是石墨烯粉末，将其制作为石墨烯溶液，结合辊对辊技术，即产生取向性形态，还原条件为特定高温气氛，热导率可以达到kW/m·K。相比较于常用的金属散热，其散热效果提高3倍左右，并具有良好的可加工性能。这种产品已经有小批量生产，通常薄膜厚度在25μm左右，对于生活中只能屏幕比如电脑和显示器，散热效果大幅度提高。

2.3 石墨烯导电复合材料应用

石墨烯能够提供稳定结构注定具有优异的导电性能，再结合高比表面积的特点，因此提出一种研究，将材料均匀的加入聚合物中，有效点状网络结构即可形成，石墨烯复合材料的高导电性能即可实现。国内有相关研究制出复合材料导电率超过3000S/m。材料质量轻是这种材料的主要特点，此外还有合成容易与电导率广且容易调控的特点。目前针对导电材料国内研究着主要集中在电极、电磁波屏蔽、隐身、传感器等方面，其他可应用于新能源领域，对于辅助交通运输和一些厂商制作电子器件等领域也有很好的应用。

美国Vorbeck Materials公司开发出了石墨烯导电添加剂。其中天然橡胶添加4%后，产品的导电性能达到显著提升。厦门凯纳石墨烯技术有限公司开发了类似产品，聚碳酸酯中添加10%石墨烯微片，体积电阻103Ω·cm，达到导电级别 ；与添加10%价格昂贵的超导炭黑性能相当，而石墨烯微片成本则更低。此外，美国XG Science公司也提供各种规格的石墨烯导电微片产品。

2.4 石墨烯复合材料在环境领域的应用

在环境治理中，对催化降解水和空气的污染物研究较多，它不但具有清洁、无污染特性，还具有温度低，利用太阳能的特点。相较于一些常规光催化剂，如TiO2、ZnO等光催化活性低。采用石墨烯与催化剂复合材料使得可见光利用度提升，相应催化剂活性提升，在污水中污物的处理应用和空气中污染物处理应用可以很好的控制环境污染。

同样的比如电催化领域，难降解污染物相对更多采用电催化。反应过程中催化速率极快，保证速率的同时还能以温和的反应条件进行，这过程还不产生副产物。现阶段国内外应用于三维电极体系中的研究已逐渐开展，研究内容主要是三维电极体系中新型粒子电极的制备，用到的特殊材料即石墨烯复合材料。

2.5 石墨烯复合材料在其他领域的应用

石墨烯复合材料在其他领域也有很多应用，如人造骨关节耐磨层的应用、防弹衣中的应用，奥地利一家公司甚至推出石墨烯增强网球拍，这种例子非常多。欧洲会利用石墨烯制作有特性的加强塑料和拉伸塑料。再比如应用石墨烯替代现有的吸波材料，对电磁场实现保护的同时实现材料的减重。

3 结语

综上所述，石墨烯复合材料在国内外多功能多领域已经逐步展开，从材料的制备到应用的研究等。我国仍处于产业化研发阶段，随着下游产业对石墨烯复合材料需求的增加，产业的进程会更快的发展，石墨烯材料产业的大门正逐步打开。我们要从多个方面提升，更便捷低价的材料、更易制备的技术、更成熟实用的应用场景，一定会使我们在该领域更进一步。