神奇材料石墨烯和石墨烯时代（一）

徐长发，华中科技大学，2017.2.5

石墨烯是一种神奇的碳质材料，全世界都在研究它，它的应用十分广阔，这种材料可能会带来一个全新的时代。所以，我们有必要了解它的基本特性，了解它的全新应用的机理，了解它给我们生活可能带来的变化。为此，我把自己了解的一部分科普知识告诉朋友们，希望大家更多地关心石墨烯的研究进展。

一．什么是石墨烯

大家都知道石墨和金刚石都是碳原子组成的。石墨的碳原子是层状的，层与层之间作用力很小，所以石墨很软。金刚石的碳原子是金字塔型结构，所以金刚石很硬。参见图1。

碳原子还可能是封闭型的球状排列，例如C60是由60个碳原子组成足球型（参见图1）。除C60外，具有封闭笼状结构的还可能有C28、C32、C50、C70、C84……C240、C540等等，统称为富勒烯。C60现在可以大量生产了，C60有很多好的性质被发现，例如具有金属光泽，如超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀、在光、电、磁等领域都有着潜在的应用前景。本文不介绍富勒烯，仅介绍石墨烯。

如果把石墨1个原子厚度的那一层剥离，就得到石墨烯。石墨烯是由6个碳元素组成的六角形在二维平面上相互连接形成的六连环的薄片（参见图1），在这个平面上原子的结合力很强。石墨烯薄片的厚度仅仅是一个原子的厚度，它只有头发的20万分之一那么厚，它可以是平面形状的，可以弯曲成曲面形状，也可以卷成一个细长管（碳纳米管）。附带说明，1-3原子层的这种薄片都称为石墨烯，4-10原子层的这种薄片称为石墨烯薄片，再厚的就称为石墨了。

图1.碳原子按照不同的结构会组成不同的材料

刚开始的时候，2004年，科学家是用手工获得石墨烯薄片的，将石墨片黏在两片特殊的胶带之间，撕开胶带，石墨片就被减薄，一分为二。如此反复操作，薄片越来越薄，最终在显微镜下发现了单个原子厚度的石墨烯。石墨烯的厚度只有0.34纳米。就是依靠这样得到的石墨烯做实验，发现了石墨烯是一种具有多种优异性质于一身的碳质新材料，它具有超薄，超轻，超硬，超软，透明，极好的导电性能，极好的导热性能，极好的耐热性，极好的光电性能，极好的表面吸附性能，等等。科学家感知这是一种理想的材料，它可能在很多领域带来革命性的变化。因此在2010年，Geim和Novoselov因为石墨烯的工作获得了诺贝尔物理奖。

二．石墨烯的制备方法

单层石墨烯只有一个原子的厚度，怎么获得呢？这么薄的材料又怎么实际应用呢？只有解决了这个问题，石墨烯的基础研究和应用开发才会有可能。

1.机械剥离法

利用氧离子束定向热解石墨表面，将其固定在硅片上焙烧，然后用胶带反复撕揭，除去多余石墨后，再将粘有石墨烯薄片的硅片基底浸入丙酮溶液中超声，清除杂质，最后得到吸附在硅晶片上的单层石墨烯。用这种方法可以获得晶体结构比较完整的石墨烯。当然，基底也可以采用其它耐高温的材料。机械剥离法是一种简单制备石墨烯的方法，但不能用于大规模生产。

2.化学气相沉积法

利用甲烷或其它含碳化合物作为碳源，在高温下碳源裂解生成的碳原子吸附在基底金属表面，这些原子作为生长核逐渐地形成石墨烯岛，再生长，这些岛就连成片，就得到石墨烯薄层。该方法早期主要用于合金刀具表面的改性，后来普遍用于半导体材料薄膜的制备，例如多晶硅和氧化硅薄膜就是用这种气相沉积法制造出来的。化学气相沉积法能大数量，大面积，高质量地制备石墨烯，但成本较高且工艺较复杂。

3.氧化还原法

氧化还原法是当前制备石墨烯最常用的方法之一。其主要原理是在强氧化剂作用下形成氧化石墨，在有机溶剂中超声处理，让氧化石墨充分碎化，将这种溶液涂在基底上，形成均匀的氧化石墨烯薄层，再利用还原剂还原，就得到石墨烯。

4.电泳沉积法

把石墨充分破碎并和电解液体充分混合，把基质材料放在这种电解液体中施加电场，液体中的带电粒子会沉积到基质材料上，此方法和电镀一样。用此方法得到的石墨烯薄层均匀，厚薄可控，也可以适合大量生产。用此法可在硬质或软质基底上得到石墨烯涂层，也可腐蚀掉基底获得单独的石墨烯。

以前，上述石墨烯制备方法都处在试验阶段，用化学气相沉积法的生产速度非常缓慢。现在，我国发明了改进的气相沉积法，每秒可生产60微米大面积的单层石墨烯，生产速度是传统方法的150倍，而且可以批量生产，这是石墨烯产业化的了不起的进步。

在实际应用中，有时需要单层石墨烯，有时需要几层的，有时需要条形的，有时需要几个纳米宽度的条带，有时需要纤维状的，现在都有办法做出来。 

三．石墨烯将带来新时代

一种新材料会带来一个新时代，这句话一点也不过分。

钢铁材料带来一个新时代，水泥材料带来一个新时代。

电子管的发明带来近百年电子工业发展，开创了一个新时代。

半导体材料又把电子工业推向一个更新的时代。原来的电子管笨重、能耗大、寿命短、噪声大、制造工艺复杂，可是以晶体硅为原材料的晶体管克服了这些缺陷，它的问世推进了微电子技术的发展，特别是微型集成电路技术使微电子工业出现爆炸性增长。仅仅经过30多年的发展，微电子技术不仅在计算机、手机、消费电子产品中得到了广泛应用，而且在汽车、工业控制、航空航天、医疗设备等无数专业电子设备中得到广泛使用，通过机器设备微型化、自动化、计算机化，人类的生活从根本上改变了。

纵观近几十年来，无论是计算机硬件还是智能手机等一系列消费电子产品，性能都在飞速提升而价格则急剧下降，技术变革的速度往往超出人们的想象。

被誉为“21世纪的神奇材料”、“万能材料”的石墨烯自2004年首次从石墨中分离出来，到今天也仅有短短十年，它的出现在科学界已经激起了巨大的波澜，收到业界广泛追捧，变革势头不可限量。

由于石墨烯和晶体硅相比，石墨烯有更好的导电性及导热性，效率可比硅至少高100倍，因此也被认为是最有可能替代硅材料而成为未来微型集成电路的新型材料。还有，石墨烯的宏观材料性能，导电性能，光电性能，吸附性能等都比同类材料出色的多，因此毫不夸张的说，不用多久将是石墨烯时代颠覆硅时代，将是多领域的石墨烯时代。

四．石墨烯的高强度特性及其应用

石墨烯像一张6角形小孔的渔网，结构非常稳定，其中每个碳原子与6个碳原子相邻，碳-碳原子距离是0.142纳米，各碳原子之间靠得很近，碳原子之间的结合力非常强，要拉伸这个网状结构就要克服若干原子间的引力，所以石墨烯特别抗拉伸抗冲击，也就是说石墨烯有很高的力学强度。

顺便说明，1微米（μm）=1000纳米（nm），1毫米（mm）=1000微米（mm），1厘米（cm）=10毫米（mm），也就是说，1毫米=10^6纳米。

科学家做了个试验，先让硅片上覆盖一层石墨烯薄片，后使用原子尺寸的金属探针和钻石探针去测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还硬100倍！

谁也不会想到，铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质！

石墨烯堪称是人类已知的强度最高的材料，它将拥有众多令人神往的发展前景。用它，可能开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料。用它，可能制造出超坚韧的石墨烯防弹衣，又轻又实用，不怕子弹。石墨烯手套，强度大，又轻薄柔韧，空手夺白刃将成为现实。覆盖在某个物体的外面，例如石墨烯安全帽，石墨烯防弹玻璃等，可增加抗打击强度。

2015年，中国国际石墨烯创新大会上，石墨烯理疗、保暖产品、LED用高导热石墨烯复合材料、石墨烯防弹材料等20余种石墨烯产品已全新推出。利用石墨烯特性研发的新型防弹衣，防弹插板只需1.7毫米就能达到甚至超过传统产品的防弹效果，重量还轻。

石墨烯具有“针插不进、水泼不进”的零渗透特，而且弯曲到很大角度也不断裂，可以抵抗很高的压力。如果给船体涂上石墨烯涂层，就好像穿上防腐“铠甲”；如果发生化学品火灾，一张石墨烯薄膜可以把火灭掉。

石墨烯可以做成细长管（碳纳米管），做成石墨烯纤维，可以形成多系列、多用途的石墨烯纤维。用这类高性能纤维织成的布料做衣服可防辐射、抗静电、抗细菌，也可制成特种功能服装如抗腐蚀服、防弹衣及柔性电子器件服装。如果这类石墨烯纤维的强度再进一步提高，这些纤维可制成建筑支撑材料，代替钢筋等金属材料搭建轻型房子、帐篷等；也可用它做成高强度壳体，如汽车外壳、轻型飞机外壳，机身，机翼，发动机耐烧蚀喷管，舰船耐腐蚀腔体材料，轻质电磁屏蔽隐形材料，等；当然还可以很容易地做成轻质电缆电线、柔性电容器、电池、传感器等。

我国某大学的研究团队，已经成功地利用氧化石墨烯和胶体混合，纺织出了纤维，再还原为石墨烯纤维，长度是理想的。虽然这种石墨烯纤维的力学强度还不是太理想，但这项工作开辟了用天然石墨在室温下制取纯碳基纤维的新通道。这种石墨烯纤维导电性好、强度较高、韧性佳，可打结，也可编织成各种导电织物。在柔性器件及高性能复合材料等领域已经具有良好的应用前景了。

五．石墨烯的导电导热性能及其应用

石墨烯这种稳定的晶格结构使碳原子之间具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。

你知道吗，电子在石墨烯中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这就是说，石墨烯是目前已知材料中最好电导体，比金银铜都好。

石墨烯在导电时几乎没有能耗。

石墨烯导电性能受温度影响小。

石墨烯还是最轻最薄最细最结实的电导体。

还有，在电势的作用下电子在普通导体中是移动形式，可是电子在石墨烯中的运动是一种量子运动形式，有点像中微子。还有，石墨烯不是一条线而是一个面在导电，如果面中有局部的势垒障碍，一点也不影响导电性能。

石墨烯锂电池是首先要攻克的应用产品之一。一般电池的阳极是石墨柱，一是这种阳极导电性能不够好；二是电池在使用时，阳极表面有氧化层阻碍了导电；三是阳极和阴极距离远，电子在电解质中运动受阻发热，从而影响电池冲电放电的能力。基于此，用石墨烯改进锂电池是有前途的。改进的思路在于三个方面。一是用石墨烯做电池阳极，阳极做成多层的；二是各层之间是电解质，电解质中混有石墨烯导电粉末。这样可减少电子在电解质中的运动距离，可增强电子在电解质中的运动速度，可提高电池的蓄电和放电能力，还可以部分解决在冲放电过程中的快速散热问题。三是在电池外面包裹石墨烯纤维，用于彻底解决电池的散热问题。

大家都知道，在很短的时间内数据存储技术突飞猛进，现在一个小小的U盘就有几百个G的存储量。可是，电的存储问题迟迟得不到解决。现在的锂电池算是性能好的了，但它仍然体积大，笨重，蓄电能力差，充电时间长，用电时间短，用电时发热严重，严重地影响了电动汽车的发展。手机锂电池是小巧，可是蓄电能力差，充电时间长，发热严重，这些都严重地影响了手机的使用效果。所以，人们渴望手机电池能够秒充，不发热，使用时间长；人们渴望汽车电池快充，不发热，续航能力强；总之，人们对石墨烯电池充满了无尽的期望。

现在全世界都在攻克这个难关，好消息也不断。近年来我国已生产出石墨烯导热材料，迅速被应用在智能手机上。我国也成功研制出一种石墨烯锂电池“烯王”,可经受住-30摄氏度到80摄氏度的“严寒酷暑”考验,充电效率更是普通电池的24倍。国外的一些实验说，车用石墨烯锂电池已经做到10多分钟充电，续航600公里，电池的使用寿命相比锂电池也延长了10倍。现在大家都在等待新产品上市。大家想想，如果车用动力电池取得突破，电动车将代替汽车，环境污染问题就得到根本性地解决。石油将不再主要地作为燃料，而是主要地用于化工，人类的生活资源会进一步得到充实，那时代又要变样了。

大功率半导体器件石墨烯纤维散热。现在所有的大功率半导体是由氮化镓做成的，工作过程中发热严重一直影响着它的应用效果和使用寿命，此问题也一直没有得到有效的解决。现在好了，石墨烯纤维覆盖在大功率半导体器件上就可以解决散热难这个头疼的问题。

石墨烯轮胎也有特殊效果。利用石墨烯良好的导电性、散热性和材质坚固性，我国研发了石墨烯导静电轮胎，目前主要用于特种车辆和装有易燃易爆等危险品的车辆。导静电轮胎可以避免普通轮胎与地面摩擦产生的静电，从而避免装有易爆品等危险品的车辆发生爆炸。同样的设想，石墨烯和橡胶结合一定可以做成石墨烯通用汽车轮胎，这种轮胎可兼有耐磨，防扎，防静电等功能。

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