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石墨烯热潮涌动产业前景看好家用酒具

石方机械网 2021-02-20 14:05:04

石墨烯热潮涌动 产业前景看好

石墨烯被誉为“21世纪神奇材料”,它以其神奇特性承载着人们的无数想象。石墨烯的发现者可能未曾预料到它的研发会有如此迅猛的突破,而世界主要国家均高度重视发展石墨烯相关产业,期待它带来巨大的市场价值。

石墨烯热潮涌动 产业前景看好

撕出的新世界

2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫通过简单的“机械剥离法”,利用“胶带”从石墨表面“撕”出单层的石墨——石墨烯。2010年诺贝尔物理学奖授予了这两位物理学家,以表彰他们对石墨烯的研究。

石墨烯是单原子层的二维晶体材料,也是结构为简单的碳材料。常见的石墨材料可以看作由石墨烯层层堆叠而成,因此石墨烯也被视作“单层石墨”。被誉为“21世纪神奇材料”的石墨烯是目前已知的世上薄、坚硬、室温下导电性好而且拥有强大灵活性的纳米材料:它可以薄到只有一个碳原子的厚度,1毫米厚的石墨薄片中能剥离出300万层石墨烯;它很硬,其强度比钢还要高200倍;在室温下,电阻率低的物质是银,而石墨烯的电阻率比银还小;它透明而不透气……种种特性使石墨烯未来在触摸屏、传感器、蓄电池等诸多领域的应用充满想象。

科学家预计,未来5到10年里,石墨烯研究会有很大发展,石墨烯触摸屏将在三五年内上市,石墨烯电子纸样品2015年可以研发成功,超薄超轻型飞机、超薄可折叠手机、高强度航空材料,甚至更富想象力的太空电梯等未来设备将在相关领域引发革命性突破,并带动价值数万亿美元的新兴产业链。

目前,石墨烯原材料石墨的市场售价约为3000元/吨,而提炼成石墨烯后,石墨烯的市场售价高达100万元/吨。随着批量化生产和大尺寸难题逐步突破,石墨烯的产业化步伐正在加快,国内外相关机构的科研投入力度也在上升,市场关注度随之升温。

发展迅速,基础与应用研究并行

中国是目前石墨烯研究和应用开发为活跃的国家之一。数据显示,在所有国家中,中国申请的石墨烯数量多,已超过2200项,占全世界的1/3。2013年工信部发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中的前沿新材料中就包含石墨烯。国家自然科学基金委资助了大量有关石墨烯的基础研究项目,国家科技重大专项、国家973计划也部署了一批重大项目。各级政府对石墨烯表现出极大的兴趣,已经初步形成了政府、科研机构、研发和应用企业协同创新的官产学研合作对接机制。2011年10月,江苏常州成立了江南石墨烯研究院,为国内基于石墨烯材料及应用的产业化基地。

中国目前已经走在了石墨烯产业化的前列,涌现出了一大批石墨烯相关企业,产业方向集中在石墨烯的制备以及储能、触摸屏和涂层等几个应用领域。科学家也已经开发了一系列石墨烯基储能材料,如石墨烯基高密度多孔碳材料,为促进石墨烯的实际应用铺平了道路。2013年7月,中国石墨烯产业技术创新战略联盟在北京成立。联盟的成立有助于整合协调产业资源,建立上下游、产学研信息、知识产权等资源共享机制,提升石墨烯产业链的整体创新水平和竞争力。

五边形石墨烯新结构被发现

中、美、日三国科学家近日发现一种碳的新结构——五边形石墨烯。这种以碳五元环为结构基元构成的二维结构可望成为一种全新的碳材料,一旦制备出来,某些方面性能可能会超越导体石墨烯,在电子学、生物医学和纳米技术等领域具有广泛的应用前景。这项发现引起了国际科学界的高度关注。

北京大学应用物理与技术研究中心王前教授、中科院上海技术物理研究所陈效双研究员及其美、日合作者通过计算模拟研究发现,只用碳五元环也可以构成准二维的亚稳碳结构,其投影类似于一种名为“开罗五边形瓷砖”的装饰图案,他们将这一新的二维结构命名为五边形石墨烯。

此前已经发现的碳材料大多是以碳六元环作为主要结构基元而构成,有的时候与五边形相互联结,后者通常被认为是拓扑缺陷,仅以碳五元环为结构基元而构成的碳材料一直没有发现,而新材料完全是二维五边形碳同素异形体。这一发现丰富了人们对碳结构的认识。目前,这一新型的碳同素异形体五边形石墨烯已被“维基百科”收录。

分子动力学模拟提示,五边石墨烯能耐727℃高温,且具有可与石墨烯媲美的超高力学强度。同时,五边形石墨烯还具有一个大的内秉带隙,这一特性可使基于五边形石墨烯的半导体容易打开和关断,而不需要像石墨烯那样通过化学或物理的修饰来打开带隙,这也是石墨烯在电子器件应用受阻的阻碍之一。此外,这种五边形石墨烯不仅可以卷成以五元碳环为结构基元的半导体碳纳米管,还可堆叠成稳定的三维碳块体结构,且这种三维碳材料具有比碳T12相更大的带隙和较大的体弹性模量。

石墨烯国标拟出台

2015年1月30日,国家薄层石墨材料标准工作组成立大会暨次工作会议在江苏常州召开。国标委正式批准在常州成立全国钢标准化技术委员会炭素材料分技术委员会薄层石墨材料工作组,江南石墨烯研究院为工作组承担(秘书处)单位,工作组由27名委员组成。

“江南石墨烯研究院从2011年成立以来,致力于石墨烯的研究,目前我们一共孵化了26个企业。”江南石墨烯研究院研究员李金龙对笔者说,“在石墨烯研究领域,常州处于全国地位,国家薄层石墨材料标准工作组落户常州是非常正确的选择。”

“目前,石墨烯行业尚没有国家标准,但我们在‘方法标准’上已经研究出三个标准,取得突破。”李金龙说,研制国家标准,并不是为了限制各个企业的发展,相反是要通过统一的标准,规范行业,从而促进各个行业的发展。

国家科技重大专项、国家973计划围绕“石墨烯宏量可控制备”、“石墨烯基电路制造设备、工艺和材料创新”等方向部署了一些重大项目,取得了一批创新成果。

在大力推动石墨烯产业发展方面,重庆、青岛、上海等地政府提供土地建设石墨烯产业园。还有地方政府直接以资金补贴方式提供支持,例如江苏武进市政府每年提供6000万元,3年不低于2亿元的碳产业投资基金。

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