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中國陶瓷網(wǎng)訊 石墨烯——目前一個非?；鸨拿~，就連我們這個傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)——陶瓷，近來也和石墨烯扯上了關(guān)系。近兩年來，石墨烯發(fā)熱芯片材料，作為替代傳統(tǒng)地暖產(chǎn)品的一個新生產(chǎn)品，很多人借著消費者根本不懂什么是石墨烯，胡亂吹噓其功能效果，把產(chǎn)品包裝為所謂的“高大上產(chǎn)品”、“高科技產(chǎn)品”，為糾正這一亂象，廣東芬芳陶瓷有限公司，作為陶瓷行業(yè)少有的具備科學研究能力，并取得了諸多研究成果的企業(yè)，同時，也作為石墨烯發(fā)熱地暖系統(tǒng)的生產(chǎn)和推廣者，有必要站出來告知廣大消費者，石墨烯到底是個什么玩意，到底有何作用，到底是不是很貴。具體分解，請看下文。

　　石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯狹義上指單層石墨，厚度為0.335nm，僅有一層碳原子。但實際上，10層以內(nèi)的石墨結(jié)構(gòu)也可稱作石墨烯，而10層以上的則被稱為石墨薄膜。單層石墨烯是指只有一個碳原子層厚度的石墨，碳原子-碳原子之間依靠共價鍵相連接而形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。完美的石墨烯具有理想的二維晶體結(jié)構(gòu)，由六邊形晶格組成，理論比表面積高達2.6×102 m2 /g。石墨烯具有優(yōu)異的導熱性能(3×103W/(m•K))和力學性能(1.06×103 GPa)。此外，石墨烯穩(wěn)定的正六邊形晶格結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的導電性，室溫下的電子遷移率高達1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)、突出的導熱導電性能和力學性能，引起科學界巨大興趣，成為材料科學研究熱點。

圖1 石墨烯結(jié)構(gòu)圖

　　石墨烯是一種超輕材料，面密度為0.77mg/m2，的主要性能是：一是具有超強的導電性。石墨烯的電子遷移率比納米碳管或硅晶體高，是硅的100倍，在室溫下可以達到15 000cm2 /( V·s) 。電阻率比鋁、銅和銀低很多，只有10～6Ω·cm 左右。二是具有超強的導熱性。石墨烯的導熱性能優(yōu)于碳納米管，是銅、鋁等金屬的數(shù)10倍，導熱系數(shù)高達5300W/m•K。三是具有超強的力學性，石墨烯的硬度超過金剛石，斷裂強度達到鋼鐵的100倍。四是具有超強的透光性。石墨烯的吸光率非常小，透光率高達97. 7%。五是具有超強的比表面積。石墨烯的比表面積每克比普通活性炭高出1130m2，達到2630m2 /g。

　　下面就來談?wù)勈┦侨绾沃苽涞?。石墨烯首先由微機械剝離法制得。微機械剝離法聽起來很高大上，其實是用透明膠帶，將高定向熱解石墨片按壓到其表面上進行多次剝離，最終得到單層或數(shù)層的石墨烯（圖2）。簡單的講，就是先用膠帶粘連撕揭石墨晶體材料頂部的幾層石墨片（圖2(a)），這樣一些石墨薄片便堆疊在膠帶上（圖2(b)）， 然后將膠帶上的石墨薄片按下粘在一定的襯底上（圖2(c)），最后撕揭膠帶使得有些石墨片脫離膠帶留在襯底上（圖1(d)），這樣就可以制備出單層的石墨烯了！

圖2 微機械剝離法制備石墨烯示意圖

　　是不是覺得太簡單了，2004年， K. S. Novoselov，A. K. Geim等就是通過此方法在世界上首次得到了單層石墨烯，證明了二維晶體結(jié)構(gòu)在常溫下是可以存在的，并且在國際頂級期刊《Science》上發(fā)表了相關(guān)的制備方法和驗證了石墨烯的性能（圖3）。

圖3 2004年K. S. Novoselov等在《Science》上發(fā)表的文章

　　更加不可思議的是，憑借這篇論文的成果，2010年K. S. Novoselov和A. K. Geim獲得了諾貝爾物理學獎?？吹竭@里，是不是有一種感覺——然來諾貝爾獎也不過如此？！竟然制備石墨烯實驗這么簡單！我們隨便都可以做出來。當然，用這種方法，要大規(guī)模制備，形成規(guī)模應(yīng)用，那是很難的。而后，全世界的科學家們，研究出了很多種制備石墨烯的方法，如外延生長法，氧化石墨還原法，CVD法，剝離-再嵌入-擴漲法以及有機合成法等。一時間，各大高校研究院所，以及相關(guān)企業(yè)，都瘋狂的追捧石墨烯材料，甚至連股市也狂炒石墨烯概念，儼然一種，無石墨烯不高科技的感覺。

　　作者看了很多的文獻資料，研究石墨烯的規(guī)?；苽?，其中北京航空航天大學的沈志剛教授，開發(fā)出了一種新奇簡便的辦法，實現(xiàn)了規(guī)?；苽涫?mdash;—利用豆?jié){機做！其在2014年的國際頂級刊物《Carbon》上發(fā)表了相關(guān)的研究成果論文《Kitchen blender for producing high-quality few-layer graphene》（圖4）。同時，沈志剛教授等申報的專利《一種制備高質(zhì)量石墨烯的湍流方法》，也公開了這種制備高質(zhì)量石墨烯的湍流方法，它有七大步驟：第一，將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轉(zhuǎn)，獲得湍流；第三，用湍流處理石墨粉分散液；第四，把處理后的溶液進行靜置處理，然后取上層的溶液；第五，把上層溶液再作離心分離處理；第六，把高速離心分離處理后的上層清液收集出來，得到穩(wěn)定的高質(zhì)量石墨烯分散液；第七，把石墨烯分散液抽濾或蒸餾得到石墨烯粉。使用湍流方法，制備過程溫和，設(shè)備投資少，原料成本低，生產(chǎn)安全性高，操作簡便易行，環(huán)境友好，產(chǎn)量可觀，重現(xiàn)性好，不但適用于實驗室研究，還更加適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

圖4 《Carbon》Volume 78, November 2014, Pages 622-626論文截圖

　　講到這里，要說明一下，什么是湍流，湍流又稱紊流，顧名思義，它是一種很不規(guī)則的流動現(xiàn)象。湍流是由無數(shù)不規(guī)則的，不同尺度的渦流相互摻混地分布在流動空間。流動中任一點的速度、壓力等物理量都隨時間而瞬息變化，不同空間點上有不同的隨時間變化規(guī)律。用湍流原理制備石墨烯，其宏觀理解，就是利用湍流中不規(guī)則渦流的相互沖擊，形成類似于“搓衣服”的剪切過程，將石墨片層剝離，進而得到石墨烯。

　　由上可知，制備得到石墨烯并不困難，其應(yīng)用的最大難點，其實是在于制備得到的石墨烯如何分離出來，分離后得到的石墨烯如何分散再利用。如果制作石墨印刷電路，其可以采用石墨漿料印刷，因此，選用合理的制備石墨烯的辦法，讓石墨漿料中有一部分石墨變成石墨烯是非常簡單的事情，當印刷石墨中含有一部分石墨烯后，可提高印刷電路的導電、發(fā)熱和導熱性能，但是，成本并不會增加多少。因此，并非是市面有些商家鼓吹的，用石墨烯很貴、很難得到石墨烯、石墨烯發(fā)熱芯片很貴。市面上的各類型碳發(fā)熱產(chǎn)品，也無需過分標榜石墨烯這一概念，好好把產(chǎn)品做好，把產(chǎn)品的安全性、使用經(jīng)濟性放在首位，才是這類型電暖產(chǎn)品健康發(fā)展的基礎(chǔ)。

    （作者系華南理工大學材料學博士，生物醫(yī)學工程博士后，碩士生校外導師；化工高級工程師，中國顆粒制備與處理委員會理事，佛山市禪城區(qū)陶瓷行業(yè)協(xié)會會長，廣東芬芳陶瓷有限公司董事長）