石墨烯工业应用

一、导电应用

石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料，常温下石墨烯电子迁移率超过15000cm2/V·s，比碳纳米管或硅晶体还高，而电阻率只约为10-6Ω·cm，比铜或银更低，是世界上电阻率最小的材料。这些优异的性能使石墨烯在高性能电池、超级电容、微纳机电器件及复合材料诸多领域都有潜在应用。

应用案例1：导电印染

将导电浆料印刷在织物表面，制成微发热印染制品，12V低电压通电90s发热40-43度。

应用案例2：：能源电池

在理论上石墨烯电极可能有超过石墨两倍的比容量。如果将石墨烯和炭黑混合后作为导电添加剂加入锂电池可以有效降低电池内阻，提升电池倍率充放电性能和循环寿命。先丰客户将石墨烯粉体添加到电池的正极和集流体中，放电容量提升8%，电极电压显著提升。

应用案例3：防静电电缆绝缘皮

将少量石墨烯添加到PP塑料制成电缆外层绝缘皮，达到了防静电效果，耐磨防腐性能也有所提升。

二、导热应用

石墨烯的理论导热率可高达3000~5000W/(m·K)，是普通石墨导热率（1800W/(m·K)）的2~3倍。石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，远高于金属中导热系数最高的金、银、铜、铝等。石墨烯红外辐射的性能可将热量均匀地快速传导在二维平面上，并沿水平和垂直两个方向同时散热，将热量辐射的形式散发到外界环境空间，有效地将热量转移。

应用案例1：石墨烯散热膜

在电器元件负载石墨烯散热膜，有效的将元件表面温度从45度降低到32度。

应用案例2：散热涂料

在环氧树脂、丙烯酸树脂等有机涂料中添加石墨烯制成散热树脂涂料，涂料的导热性能提升20%以上。

三、防腐耐磨

石墨烯具有独特的性能，常常作为填料添加到聚合物或者合金中来改善基体在防腐性能方面的不足，其防腐机制主要为： ①石墨烯化学性质极其稳定，可以起到阻隔的作用，防止基底与腐蚀介质接触；② 石墨烯为纳米材料，具有小尺寸效应，可以填充到涂料的孔洞和缺陷中，在一定程度上阻止和延缓了小分子腐蚀介质浸入金属基体；③从电化学角度来说，石墨烯能更好地钝化镀层金属，使镀层的耐蚀性能进一步得到提高。

应用案例：石墨烯管道防腐涂料

将石墨烯添加到防腐涂料中，油井管道涂覆石墨烯复合后的防腐涂料，涂层表面硬度达到7H以上，管道表面形成石墨烯特有的微凸结构，达到疏油、防结蜡的效果。

石墨烯具有特殊的二维纳米层状结构、高的机械强度和导热性，并且是碳质固体润滑材料的基本结构单元。实验研究表明，随着石墨烯的添加，石墨烯不断覆盖在摩擦副表面，摩擦副表面的粗糙度被石墨烯表面的粗糙度所替代，所以润滑机理逐渐趋向薄膜润滑，显著提高了润滑剂的承载性能和摩擦副的抗磨性能。石墨烯具有原子薄的厚度和低剪切强度的层状结构，作为各种材质微纳器件的抗黏、减摩防护薄膜，单层、三层及多层石墨烯基纳米润滑薄膜能够显著减小基底表面的摩擦系数和耐久寿命。

应用案例：润滑油

将石墨烯粉体加入到基础油后，润滑油的摩擦系数降低、磨损修补等各项性能有较明显改善。

四、机械性能增强

石墨烯是已知强度和硬度最高的晶体结构材料。其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。石墨烯的强度极限为42N/m2。理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍，面积为1m2的石墨烯层片可承受4kg的质量。石墨烯作为一种典型的二维增强材料，在复合材料领域具有潜在的应用价值。