石墨烯从材料到应用还有多远？

提起石墨烯，其优异的光学、电学和力学等特性翻开了二维新材料的新篇章，并有望带来能源存储与转化、电子、航空航天等领域的技术革命。除了极高导热率、载流子迁移率、电流密度耐性等高强性能，双极半导体、高性能传感器功能、常温下可实现无散射传输、吸氢功能等众多“独特性质”更是让石墨烯脱颖而出，被冠以“黑金”、“新材料之王”的称号。也正因为此，关于石墨烯的终端产品已经在一些销售渠道中遍地开花——“石墨烯热暖绒保暖裤”、“进口石墨烯鱼竿”、“充电8分钟，领跑1000公里的电动汽车”……

 

 

真假石墨烯产品

 

若真如商家所言，燃油汽车或许早已经被完全取代。带着一丝疑惑，笔者有幸采访到了中国科学院山西煤炭化学研究所、山西省石墨烯工程技术研究中心功能材料研发部总监李晓明。面对笔者的困惑，李晓明也很无奈地笑了笑。

 

李晓明告诉我们，目前，国际上只有两个比较权威的石墨烯相关标准，其中一个是英国国家物理实验室（NPL）于2017年定义的用于描述不同形式的石墨烯和相关2D材料的术语；另一个则是2018年12月29日发布的我国首个石墨烯国家标准GB/T30544.13-2018：《纳米科技术语第13部分：石墨烯及相关二维材料》，并已于今年11月1日开始实施。然而，对于石墨烯产品的定义以及检测标准却还没有权威版本出现。市面上鱼龙混杂的石墨烯产品是否真有奇效，甚至说，这些石墨烯产品真的含有石墨烯吗？一切还需要消费者擦亮双眼。

 

石墨烯产品产业化应用任重道远

 

对于应用前景如此广泛的石墨烯，难道其成熟的产品应用技术远远落后于市场的反应么？这或许要从石墨烯的发展历史说起。

 

石墨烯的理论研究始于1947年，迄今已有70余年的历史。但直到2004年，人类对于石墨烯的制取才有了质的飞跃。那一年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断重复操作后，薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域为时不远。因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。

 

目前，全球已有80多个国家投入石墨烯的研发和生产。美国、欧盟、日本、韩国等相继发布或资助了一系列相关研究计划和项目。据李晓明介绍，中科院山西煤化所于2007年9月在国内率先开展石墨烯研究，并完成实验室克级制备；2012年初完成百克级小试；2013年3月，百公斤级中试开工，同年10月底建成后于年底全线贯通；2014年底升级改造为吨级示范线；2015年初，已经成功开发了十吨级工艺软件包。得益于国家政府对石墨烯材料研究与开发的高度重视和支持，现阶段我国已形成包括机械剥离法、氧化还原法、取向附生法等十余种石墨烯制备技术，石墨烯的研究在地域上形成以长三角为中心，环渤海地区和珠三角地区活跃发展的格局。我国在石墨烯领域与国际先进水平同步并行，甚至在石墨烯粉体规模化和产品化应用等方面，还拥有一定的领先优势。

 

对于石墨烯产品产业化应用，李晓明和我们分享了三个主要难点。首先是石墨烯材料难加工。由于石墨烯易团聚且密度远远低于其他材料，因而常规加工设备难以对石墨烯进行直接二次加工，急需解决高效分散和界面二次加工的应用瓶颈。其次，石墨烯微观特性在宏观器件或产品中的有效体现。石墨烯材料绝不是拿来就使用、用了就颠覆，而是需要材料研制方、材料应用方、设备制造方、终端产品设计方和系统集成方相互形成长效的全产业链互动机制，从而真正实现其微观特性在宏观尺寸的有效发挥。最后，真正价值和性价比也至关重要。石墨烯不是全能材料，需要找准自身定位、找到杀手锏级的用途，最终实现其不可替代才是真正价值所在，而不是万金油式的应用。比如超级电容器中全部使用石墨烯为电极材料在体积比容量上反而不如常规电容炭，成本还增加了好几倍；在一些低端如发热壁画等红外发热器件中，碳晶材料就足以满足需求，性价比也明显优于石墨烯。三大难点的出现必将导致石墨烯产品的研发生命周期较长。“料要成材，材要成器，器要好用。”李晓明借用煤化所广为流传的说法描述了真正实现材料从研究到应用的过程。

 

打通从石墨烯材料到应用的最后一公里

 

“到目前为止，我们也认为石墨烯批量化制备已经不是问题，但从高品质石墨烯原料-石墨烯材料-石墨烯应用需要打通的是最后一公里。”李晓明说到。谈及打通最后一公里的方法，李晓明分享说，其中一种方式便是将石墨烯作为“工业味精”，即纳米填充材料。具体来说就是与液相、固相以及高分子材料有效复合，提升复合材料的性能；另一种方式是将石墨烯通过技术手段制备成纤维、薄膜、三维型材等宏观体来使用。

 

在塑料应用领域里，李晓明为我们分享了三种改性石墨烯的应用。其一是熔融法制备石墨烯/低密度聚乙烯复合材料。对比添加石墨烯和未添加石墨烯的聚乙烯材料的结构和性能，研究发现，石墨烯在复合材料中可起到结构增强和异相成核的作用，从而使产品拉伸断裂强度和结晶性均得到大幅提高。同时，当石墨烯含量达到一定比例时，复合材料的分解温度可提升96°Ｃ，抗疲劳次数可提升至原来的5.8倍。

 

 

其二是挤压法制备取向石墨烯/硅橡胶复合材料，经过机械挤压后使得石墨烯纳米片发生取向。研究发现，经石墨烯取向改性的硅橡胶拉伸强度得到明显提高，邵氏硬度和交互作用亦增强不少。当石墨烯含量达到某个比例时，复合材料的面内导热率是普通硅胶产品的5倍，导电性更是提升了十个数量级。

 

其三是从二维石墨烯到一维碳化硅晶须。不同于以往采用稻壳灰和炭黑制造碳化硅晶须，煤化所则以二维单原子层厚度以及丰富边缘特性的石墨烯材料作为碳源，经碳热反应，高效制备了纯度95%以上、直晶率98%以上的碳化硅晶须材料，为碳热还原法制备碳化物提供了新理论，开辟了石墨烯基碳化物制备的新领域。将此碳化硅晶须应用于磨具制品后，磨削效率和磨耗比等性能显著增强。

 

多方合作助发展

 

据相关数据表明，预计到2020年，石墨烯全球市场规模有望达到21.03亿美元。而中国作为世界第一大石墨生产大国，未来发展不可限量。目前，石墨烯产业已被列入《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和“中国制造2025”重点发展领域中。作为国内为数不多的石墨烯研究所，中国科学院山西煤炭化学研究所已有5个国家级研发平台、7个省部级研发平台，以及多个所企联合研发平台。研究所的石墨烯中试技术已达到国际先进水平，其批量化生产的炭美®石墨烯产品已推向国内外市场，可为后续相关产品的应用开发奠定基础。

 

 

然而，现阶段我国石墨烯产业的最大瓶颈在于没有形成完整且成熟的产业链，研发制备企业和下游应用企业脱节严重，市场需求尚未全面打开。李晓明呼吁相关领域上下游一起，整合各方现有的优势技术、优势资源、工程化设备等，实现相关产品的技术升级和大规模商业化应用。此外，还需加快制定工艺、检测、产品等标准，规范并完善产业链健康发展。相信在未来，石墨烯将突破人们对它的想象空间，并造福全人类。