石墨烯材料在小型家用电器设计中的应用研究

杨燕 李津

关键词：石墨烯材料;小型;家用电器设计;设计趋势

近年来年受大环境影响，我国家庭结构裂变，规模趋小，住房面积扩大，催生家用电器的需求增加，单人家庭及两人户的年轻群体成为我国家庭的主要构成部分，因此人们对小家电的依赖程度呈明显的上升趋势。新兴消费群体对于新材料、新技术的追求也促进了小家电市场迎来机遇性发展，由于各个领域都在不断融合发展，小家电也在产品功能、外观设计、智能互联等方面具备了良好的创新性[1]。随着人们对家电需求的增大，企业在设计家用电器时在选材用料、外形方面也更加慎重[2]。本文针对石墨烯新材料在小型家用电器设计中的应用趋势方面做了一系列研究，力图探究其优势及发展可能。石墨烯材料是2004 年被英国科学家发现的一种新型纳米材料，在多方面都呈现出优异的性能，若将其运用在小型家用电器中会有很大的发展前景。

1 石墨烯材料概述

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp? 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料（如图1），是碳的二维结构。它的物理结构很简单，但功能极其丰富。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335 纳米，形象来说就是把20 万片薄膜叠加到一起，只有一根头发丝那么厚。是一种坚固、轻盈、几乎透明，具有优质的导热性和导电性的新型材料[2]。

石墨烯材料在性能方面，尤其在力学方面是目前发现的机械强度最高的材料，它的硬度超过金刚石，断裂强度达到钢铁的100 倍，其导热性在室温下略高于石墨和金刚石，优于碳纳米管，是Cu、Al 等金属的数10 倍，石墨烯的导电率比纳米碳管更高，是Si 的100 倍，其电阻率比Al、Cu 和Ag 低得多。由石墨烯材料制成的光学调制器具备高速信号传输能力，简单来说，一秒钟下载一部高清电影指日可待。而石墨烯的抗干扰能力也是其全新的电学属性。在拉伸性能方面，与金属相比较延展性更好，可拉伸至自身长度的20%。还具有超强的透光性，悬浮单层石墨烯在较宽波长范围内的可见光吸收率为2.3%，反射率可忽略不计。

石墨烯的制备方法多种多样，目前，石墨烯可量产的制备方法主要分为氧化还原法和化学气相沉淀法（CVD）两种。其中氧化还原法的原材料为石墨，化学气相沉淀法的原材料为甲烷、乙炔等含碳气体。如今的趋势是生产缺陷极小的高品质石墨烯。而化学气相沉淀法可以实现高品质石墨烯的生产，所以此方法的使用频率较高[3]。

2 石墨烯材料在小型家用电器设计中的应用意义

从小型家用电器的角度讲，作为能够提高人们生活质量的产品，让其更智能、美观、便捷及安全才能更好地满足不断出现的潜在消费需求，这也成为相关企业努力的方向。由此若将石墨烯材料运用在小型家用电器设计中，不仅可以使产品在功能方面具有极大的优势，还能给人们带来新的感受。

就其作用和意义来说，将石墨烯材料应用于小型家用电器设计中具有一系列的优势。其轻盈的特性可以降低家用电器的重量，使之更加便捷，也贴合了小型家用电器所应具备的属性。由于石墨烯的表面积非常大，所以若应用于小型家用电器，在散热的性能上将十分优越。还可利用其抗冲击性制作小型家电保护壳，使其更坚固耐用。石墨烯的强导热导电性不仅可以用于可加热电器的电能转化部分，使其更高效，在可持续设计方面，用于电镀工艺中也可以节约稀有金属的使用量。预计在未来10 年，随着石墨烯应用实现产业化，石墨烯行业也将快速增长[3]。无疑，这对于小家电的设计发展来说具有不可估量的重要意义。

3 石墨烯材料在小型家用电器设计中的应用趋势

由于我国人口众多，许多漂泊在外的年轻人大都租房居住。在此趋势下，小型、多功能、轻便且美观的小型家用电器逐步进入市场。此外，从产品的设计到被回收的整个过程中，可持续性设计近年来也一直被人们所关注。而石墨烯材料的加入可以在生产、使用的过程中减少能耗，在产品电镀的过程中节约稀有金属，提高稀有金属的使用效率，有效地降低自然资源的消耗，保护生态环境。但目前市面上所售的小家电很少运用石墨烯新材料，这对于几乎空白的市场无疑是一个巨大的机会。据调查，预计到2025 年，石墨烯材料在多个领域的应用有望实现快速增长，2017—2025 年平均增长率达到72.8%（如图2）。若将这些领域与小家电行业相结合，对于小型家用电器的设计来说无疑是一个很好的机会[3]。同时，也将为此行业带来新的趋勢。

3.1 智能化

伴随着信息时代的到来，智能化设计早已融入了我们的生活，目前如冰箱、洗衣机等家用电器大部分都已经实现了智能化，而小型家用电器的智能化操作还并不是特别的完善。随着现代人们生活节奏的加快和对未来美好生活的不断追求，小型家用电器的智能化设计是必然的趋势，其将带给我们的是更加简洁、舒适的生活，无需过多的操作便可实现一些复杂的作业。而石墨烯的加入，可以强化智能电器的一些性能，比如使其更加耐用，其轻薄透明的属性也可为需要高分辨率显示器的智能小家电带来外观上的优化。在一些智能电子元件中，晶体管是电子学的基础，其研发趋势是更小巧和更有效。小型智能家用电器的性能也因此会有质的飞跃。同时，在一些需要传感器的小家电中，由于石墨烯可使生物分子紧密结合，其结合得越紧密，传感器的电磁屏蔽效应就越小，从而可以增强传感器的灵敏度。进而使智能小家电为人们带来更好的体验感。

3.2 人性化

工业设计的目的是创造更合理的生存方式。即在人机环境系统中，人的一切活动最优化。最优化的本质之一就是符合人机工程学，这也是人性化设计的原则之一。人性化设计的理念并不是由某个人或组织提出的，而是人类不断追求的目标。人性化设计也一定是不缺乏功能性的设计，结合小家电设计来说，当今小型家用电器的功能性都已经相对成熟了。随着大众对于美好生活的不断追求，人们对人性化设计的需求也在逐年增加，与此同时，这也是现代家电设计的大趋势。由于任何家电产品都是为人设计的，所以最终其命运要视与人关系的协调程度而定[4]。小型家用电器亦是如此，石墨烯新材料的加入可以使其进一步接近人性化设计，不仅能使小型家电更加轻巧耐用，也将适用于更多的场景。就车载小家电来说，其出现就是为了方便人们的生活，其本身就是一种人性化设计，而石墨烯的加入可以更加优化其属性，也更符合人们的理想型设计。比如，石墨烯泡沫和石墨烯气凝胶是目前最轻、最强的材料，这些材料可以在小型家用电器领域替代其他诸如碳纤维等轻量化材料，使设计更加坚固、轻盈且耐用。从储能方面来说，石墨烯的加入使可储能的小型家电的电量储存能力增强，有效延长其使用时间，减少人为充电的次数，更加贴近人性化设计。

3.3 可持续性

在产品设计中如何平衡性能与环境之间的关系，一直是持久不变的话题，在生产中，提升人们生活质量的同时也耗费了资源与能源，对环境也造成了极大的伤害。近年来地球面临着巨大的生态危机，人们也有了更强的推动可持续性发展的意识。而家用电器属于终端用能型产品，随着在家庭中的普及度逐年上升，以及家用电器种类和数量的不断增长，总保有量大、涉及使用面广、能源消耗多、使用周期长等特点日益凸显[5]。这就更加需要有相对减小损耗，降低环境污染的新材料出现及使用，而石墨烯新材料的运用恰好可以在小型家用电器的生产、使用及回收过程中做到高效且降低能耗，从而降低对环境的污染。此外，所有产品的可持续性设计都对降低能源和资源的消耗有着直接的促进作用。家用电器相较于其他产品来说其能源消耗量相当大，所以设计师应该在可持续性设计中做出更多的努力。小型家用电器相对于普通家用电器来说有“轻、薄、短、小”的特点，这不仅体现在产品的体量上，也体现在产品结构和性能的优化中。综上所述，将石墨烯材料应用于小型家用电器设计中，能够更加有效的使小家电在整个生命周期中给环境所带来的危害减到最小。因此，可持续性是当今时代小型家用电器的重要发展趋势。

4 结语

石墨烯材料运用在小型家用电器中将大幅度提升产品质量及使用效率，虽然石墨烯目前在生产方面还存在生产成本高、制备难等问题，但随着科技的进步以及科研人员的不断研究，石墨烯的制造工艺也在逐步改善，在小型家用电器及各个领域的应用也具有很大前景。不仅在提升小型家用电器使用性能方面有很大的突破，而且有利于可持续发展理念的进一步深入。此类型设计也正朝着智能化、人性化、可持续性的趋势发展。目前，科技发展飞速，大众对与使用新材料的产品的接受度也非常高。虽然石墨烯材料以及小型家用电器现在都还处于发展阶段，但未来前景可期。