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石墨烯
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发表于:
2021-6-27 11:11
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1 | 自 2004 年安德烈·海姆(Andre Geim) 博士的团队从高定向石墨中机械剥
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离出单层石墨烯以来, 这种拥有各种世界之最的材料的研发热度从单纯的学术研
究拓展到了工业领域, 并可能在多个方面改善或者彻底改变现有的材料体系。
石墨烯拥有所有材料中最高的载流子迁移速率, 这就像给电子和空穴的运动
提供了高速公路, 彻底革新目前的半导体材料和器件; 石墨烯拥有所有材料中最
高的热导率, 这将给困扰电子产品最多的热管理提供新的设计思路, 并改善现有
电子器件以及电子系统的设计; 石墨烯是一种柔性透明导体, 将在柔性电子领域
替代目前广泛应用的氧化物陶瓷材料; 石墨烯拥有极大的比表面积, 可在新型储
能器件的开发方面发挥极大的优势; 石墨烯拥有极高的化学和光电灵敏特性, 在
高性能化学和光电传感器领域也有极为关键的表现
以上种种工业应用, 都具有极大的想象空间, 这也是为什么全世界都掀起了
石墨烯学术和工业研究的热潮, 如欧洲的旗舰计划、韩国的石墨烯国家战略、新
加坡的国家石墨烯研究院等。中国的石墨烯研究和开发虽然在前沿领域的进展落
后于欧美日同行, 但在石墨烯工业化方面却是最积极、花费人力和物力最多的。
在材料科研领域, 和石墨烯相关的科研课题数目是最多的; 在工业领域, 中国也
诞生了几十家创业公司, 从事和石墨烯各个方向相关的产品开发活动; 在金融领
域, 中国股市上有十几只石墨烯相关概念股票在进行资本运作。这些努力, 在一
定程度上都在推动石墨烯工业化的进展。
但在一定程度上, 石墨烯的工业化却面临着所有新材料产业化的共同难题:
慢。虽然市场对石墨烯的未来充满了期待, 希望石墨烯能够充当“上帝材料”
的角色, 但所有新材料的发展都需要一个缓慢的过程, 尤其是像石墨烯这种涉及
面极其广泛的基础性材料。由于它是底层的基础材料, 任何改变都会带动整个产
业链的技术变革。这也是只要涉及石墨烯工业领域都会非常谨慎的原因。同时,
在工业化过程中, 石墨烯也需要适应原有的工艺体系。原有的工艺体系都是在原
有的材料体系之上优化了十几年甚至几十年的结果。
但任何的工业化技术二次开发过程都需要定向开发, 需要一定的开发时间。
以透明导电电极领域为例, 石墨烯用于替代氧化铟锡(ITO) 等透明导电氧化
物, 但石墨烯的面电阻却远高于ITO。这就要求二次技术开发过程中对石墨烯做
掺杂等工艺处理来接近ITO 的性质。同时, 由于石墨烯本身的疏水特性, 原有的
导电油墨也需要做新的配方调整和工艺调整, 才能配合石墨烯用于显示领域。这
些工业化技术开发的过程, 不只需要石墨烯的研发人员在石墨烯端进行工艺调
整, 同时也需要在下游应用领域和相关的配套材料领域的研发同步进行, 需要上
下游共同配合。
另一个限制石墨烯大规模应用的是工业化核心问题: 成本。目前, 石墨烯的
制造成本相对于竞争材料还较高。不过这主要是由于石墨烯的生产量不大, 非直
接制造成本过高, 以及石墨烯良率不高。但“成本” 对于石墨烯来说是优势,
而非劣势。因为不管是粉末状的氧化还原石墨烯, 还是薄膜状的石墨烯, 直接材
料成本都是极低的, 而且是环境友好型的。这也是石墨烯在未来工艺成熟后, 会
横扫其他所有竞争材料的核心优势。
就像其他所有的新材料规模化、工业化应用的历史一样, 石墨烯在每一个应
用领域工业化的过程中都会面临不少的难题, 需要解决的工艺技术问题也很多。
每一个问题的解决, 都在推动着石墨烯产业的工业化进程, 都在促进石墨烯发挥
它得天独厚、独一无二的性质优势, 也都在为这一个新兴产业的兴起添砖加瓦。
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最后于 2021-10-13 18:21
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