石墨烯是什么？性能和應用領域介紹

1 石墨烯是什么

2004年有人利用微機械剝離法從石墨中分離出的一種由碳原子以 sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，取名石墨烯，英文名是Graphene，其是一層碳原子構成的二維晶體。

2 石墨烯的結構

相比其他有機高分子材料，石墨烯具備較為獨特的原子結構和力學特性，其σ鍵和其他碳原子鏈接組成六角環的蜂窩式層狀結構，每個碳原子的pz軌道(垂直于層平面的)能夠組成貫穿全層的多原子的大π鍵，所以導電性能和光學性能都很優異。石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa，固有的拉伸強度為130Gpa，是已知強度最高的材料之一，其韌性優良，能夠彎曲，被譽為“新材料之王”、“黑金”。

3 石墨烯分類

石墨烯根據不同的層數分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。根據功能化形式分為氧化石墨烯、氫化石墨烯、氟化石墨烯等。根據外在形態分為片、膜、量子點、納米帶或三維狀等。

4 石墨烯的優異特性

(1)超強導電性：石墨烯的載流子遷移率約為15000cm²/(V·s-250000cm²/(V·s)，受溫度變化的影響較小，為已知載流子遷移率最高的物質，這一數值為硅的100-1000倍，為銻化銦(InSb)的兩倍以上。面電阻約為31Ω. (sq)^?1，電阻率約為10?6Ω.cm，是目前室溫下電阻率最低的材料。

(2)良好導熱性：導熱系數高達 5300W/mK，是導熱系數最高的碳材料，高于單壁碳納米管(3500W/mK)、多壁碳納米管(3000W/mK)和金剛石(2000W/mK)。

(3)溶解性：在非極性溶劑中表現出良好的溶解性，具有超疏水性和超親油性。

(4)高柔性：韌性良好，彎曲不影響優異的性能。

(5)高強度：石墨烯的理論楊氏模量達 1.0TPa，固有的拉伸強度為 130GPa，斷裂強度為 125GPa，是迄今為止常用功能材料中強度和硬度最完美的，比鉆石和金剛石的硬度都要高出許多，優質鋼鐵的200 倍。

(6)良好透光性：在較寬波長范圍內吸收率約為2.3%，看上去幾乎是透明的。在幾層石墨烯厚度范圍內，厚度每增加一層，吸收率增加 2.3%。石墨烯優異的光學性能不會隨著平面尺寸增大而明顯減弱。

(7)滲透率：碳六元環結構，高致密，He無法穿透;孔隙可修飾。

5 石墨烯的制備方式

石墨烯粉體主要由球磨剝離法、液相剝離法和氧化還原法等制備，其中氧化還原法制備的石墨烯粉體層數最少，是目前最常采用的方法。

6 石墨烯的應用領域

(1)電器工業：鋰電池電極，新能源電池超級電容器，晶體管，柔性顯示屏，感光元件

(2)化學工業：防腐材料、催化劑載體、傳感器

(3)冶金工業：耐火材料：耐火磚，坩堝，耐高溫材料，鑄模芯，連續鑄造粉和鑄模洗滌劑

(4)鑄造業：鑄模和防銹涂料

(5)機械工業：機械高速運轉的潤滑劑，過濾器，儲氫材料

(6)核工業：用作原子反應堆中的中子減速劑和防護材料

(7)航天工業：火箭發動機尾噴管喉襯，火箭和導彈的隔熱、耐熱材料，人造衛星上的無線電連接信號和導電材料結構

(8)輕工業：玻璃和造紙的磨光劑和防銹劑，制造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石的原料

來源

《【研報】新材料行業專題系列報告（三）：石墨烯前景廣闊的二維納米材料-20200820（24頁）.pdf》

《石墨烯行業：政策扶持力度加大產業化穩步推進-160111（29頁）.pdf》

《石墨烯行業專題報告：產業化進程加速未來市場空間巨大-160325（44頁）.pdf》