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芬芳石墨烯发热地暖系统告诉您—— 石墨烯这个高科技玩意,竟可出自豆浆机

2018-07-03来源:中国陶瓷网责任编辑:李凤苓点击数:3959

中国陶瓷网讯 石墨烯——目前一个非常火爆的名词,就连我们这个传统的产业——陶瓷,近来也和石墨烯扯上了关系。近两年来,石墨烯发热芯片材料,作为替代传统地暖产品的一个新生产品,很多人借着消费者根本不懂什么是石墨烯,胡乱吹嘘其功能效果,把产品包装为所谓的“高大上产品”、“高科技产品”,为纠正这一乱象,广东芬芳陶瓷有限公司,作为陶瓷行业少有的具备科学研究能力,并取得了诸多研究成果的企业,同时,也作为石墨烯发热地暖系统的生产和推广者,有必要站出来告知广大消费者,石墨烯到底是个什么玩意,到底有何作用,到底是不是很贵。具体分解,请看下文。

  石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨,厚度为0.335nm,仅有一层碳原子。但实际上,10层以内的石墨结构也可称作石墨烯,而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨,碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构,由六边形晶格组成,理论比表面积高达2.6×102 m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m•K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外,石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性,室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能,引起科学界巨大兴趣,成为材料科学研究热点。

图1 石墨烯结构图

  石墨烯是一种超轻材料,面密度为0.77mg/m2,的主要性能是:一是具有超强的导电性。石墨烯的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高,是硅的100倍,在室温下可以达到15 000cm2 /( V·s) 。电阻率比铝、铜和银低很多,只有10~6Ω·cm 左右。二是具有超强的导热性。石墨烯的导热性能优于碳纳米管,是铜、铝等金属的数10倍,导热系数高达5300W/m•K。三是具有超强的力学性,石墨烯的硬度超过金刚石,断裂强度达到钢铁的100倍。四是具有超强的透光性。石墨烯的吸光率非常小,透光率高达97. 7%。五是具有超强的比表面积。石墨烯的比表面积每克比普通活性炭高出1130m2,达到2630m2 /g。

  下面就来谈谈石墨烯是如何制备的。石墨烯首先由微机械剥离法制得。微机械剥离法听起来很高大上,其实是用透明胶带,将高定向热解石墨片按压到其表面上进行多次剥离,最终得到单层或数层的石墨烯(图2)。简单的讲,就是先用胶带粘连撕揭石墨晶体材料顶部的几层石墨片(图2(a)),这样一些石墨薄片便堆叠在胶带上(图2(b)), 然后将胶带上的石墨薄片按下粘在一定的衬底上(图2(c)),最后撕揭胶带使得有些石墨片脱离胶带留在衬底上(图1(d)),这样就可以制备出单层的石墨烯了!

图2 微机械剥离法制备石墨烯示意图

  是不是觉得太简单了,2004年, K. S. Novoselov,A. K. Geim等就是通过此方法在世界上首次得到了单层石墨烯,证明了二维晶体结构在常温下是可以存在的,并且在国际顶级期刊《Science》上发表了相关的制备方法和验证了石墨烯的性能(图3)。

图3 2004年K. S. Novoselov等在《Science》上发表的文章

  更加不可思议的是,凭借这篇论文的成果,2010年K. S. Novoselov和A. K. Geim获得了诺贝尔物理学奖。看到这里,是不是有一种感觉——然来诺贝尔奖也不过如此?!竟然制备石墨烯实验这么简单!我们随便都可以做出来。当然,用这种方法,要大规模制备,形成规模应用,那是很难的。而后,全世界的科学家们,研究出了很多种制备石墨烯的方法,如外延生长法,氧化石墨还原法,CVD法,剥离-再嵌入-扩涨法以及有机合成法等。一时间,各大高校研究院所,以及相关企业,都疯狂的追捧石墨烯材料,甚至连股市也狂炒石墨烯概念,俨然一种,无石墨烯不高科技的感觉。

  作者看了很多的文献资料,研究石墨烯的规模化制备,其中北京航空航天大学的沈志刚教授,开发出了一种新奇简便的办法,实现了规模化制备石墨烯——利用豆浆机做!其在2014年的国际顶级刊物《Carbon》上发表了相关的研究成果论文《Kitchen blender for producing high-quality few-layer graphene》(图4)。同时,沈志刚教授等申报的专利《一种制备高质量石墨烯的湍流方法》,也公开了这种制备高质量石墨烯的湍流方法,它有七大步骤:第一,将石墨粉分散于溶液中,得到石墨分散液;第二,使石墨分散液在容器中高速旋转,获得湍流;第三,用湍流处理石墨粉分散液;第四,把处理后的溶液进行静置处理,然后取上层的溶液;第五,把上层溶液再作离心分离处理;第六,把高速离心分离处理后的上层清液收集出来,得到稳定的高质量石墨烯分散液;第七,把石墨烯分散液抽滤或蒸馏得到石墨烯粉。使用湍流方法,制备过程温和,设备投资少,原料成本低,生产安全性高,操作简便易行,环境友好,产量可观,重现性好,不但适用于实验室研究,还更加适合大规模工业化生产。

图4 《Carbon》Volume 78, November 2014, Pages 622-626论文截图

  讲到这里,要说明一下,什么是湍流,湍流又称紊流,顾名思义,它是一种很不规则的流动现象。湍流是由无数不规则的,不同尺度的涡流相互掺混地分布在流动空间。流动中任一点的速度、压力等物理量都随时间而瞬息变化,不同空间点上有不同的随时间变化规律。用湍流原理制备石墨烯,其宏观理解,就是利用湍流中不规则涡流的相互冲击,形成类似于“搓衣服”的剪切过程,将石墨片层剥离,进而得到石墨烯。

  由上可知,制备得到石墨烯并不困难,其应用的最大难点,其实是在于制备得到的石墨烯如何分离出来,分离后得到的石墨烯如何分散再利用。如果制作石墨印刷电路,其可以采用石墨浆料印刷,因此,选用合理的制备石墨烯的办法,让石墨浆料中有一部分石墨变成石墨烯是非常简单的事情,当印刷石墨中含有一部分石墨烯后,可提高印刷电路的导电、发热和导热性能,但是,成本并不会增加多少。因此,并非是市面有些商家鼓吹的,用石墨烯很贵、很难得到石墨烯、石墨烯发热芯片很贵。市面上的各类型碳发热产品,也无需过分标榜石墨烯这一概念,好好把产品做好,把产品的安全性、使用经济性放在首位,才是这类型电暖产品健康发展的基础。

    (作者系华南理工大学材料学博士,生物医学工程博士后,硕士生校外导师;化工高级工程师,中国颗粒制备与处理委员会理事,佛山市禅城区陶瓷行业协会会长,广东芬芳陶瓷有限公司董事长)

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