亚美游戏

【转型进行时】石墨烯:改变世界的神奇材料(
发布时间:2021-01-02 02:10    文章作者:亚美游戏

  新材料产业是国民经济战略性、基础性产业,是装备和制造的基石,是核心竞争力的重要支撑。我省在高端新材料领域持续发力,推动产品向精细化、规模化、产业化、高附加值化发展,带动全省新材料高端产业及其配套下游、精深加工等产业发展壮大。

  “这是一个柔性的键盘,很神奇。把它卷起来,出差时随身带上。”中国科学院山西煤化所研究员陈成猛展示的这款键盘,就是柔软的硅胶外表包着一张纸,这张纸正是柔性键盘重要的功能部件。

  “纸上黑色的线和点不是画上去的,而是我们采用石墨烯调制的电子浆料印刷的线路。柔软的线路板可使键盘折叠,方便携带。”陈成猛向记者介绍说,若将石墨烯应用于触摸屏,手机和平板电脑便可折叠;若加进塑料,塑料变得又强又韧,还可以让原本不导电、不导热的塑料变得导电、导热;若加在锂离子电池和超级电容器里面,就能大幅提升储能器件的能量密度和功率密度,延长它的循环寿命……中北大学前沿交叉科学研究院院长李孟委团队向记者展示的石墨烯压力传感器、温度传感器,在穿戴电子器件、电子皮肤、柔性显示器等领域大显身手。

  轻得像空气,却又硬得像钢铁,它就是被誉为“黑金”的石墨烯。和熟知的石墨棒、铅笔芯一样,石墨烯也是由碳原子组成的。2004年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫首次在实验室,通过胶带从石墨上成功分离出一层晶体物质石墨烯,在科学界引起轰动,二人也因石墨烯方面的开创性研究于2010年获得诺贝尔物理学奖。

  作为高端碳家族的新材料,它是电子产品材料绝佳选择,更令人感兴趣的是它那许多“极端”的物理性质,造就它是目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,可用于航空航天、军事高精尖领域,它是名副其实的“新材料之王”。在长期从事石墨烯研发的陈成猛的眼里,石墨烯的模量达到了1TPa,是钢铁的200倍。如果保持石墨烯强度制成一张薄膜纸,想要刺破它,好比推开一头大象。“如果力、热、光、电、磁都能让它有反应,那么这样一台石墨烯功能器件会有无敌超强表现力。”李孟委的研究课题更偏重石墨烯的功能应用。

  在中科院山西煤化所石墨烯中试平台,生产线上石墨烯轻薄飘逸。石墨经过氧化、提纯、干燥和剥离4个环节制备而成石墨烯,250克石墨烯原料市场售价高达12500元。石墨烯的生产工艺被中科院山西煤化所博士孔庆强解释为:“如果把石墨看成一本书,那么石墨烯其实就是其中的一页,那么我们首先要做的就是把这本书中的每一页相互撑开,然后瞬间把每页撕下来,变成一页一页的。”目前,中科院山西煤化所已经攻克了石墨烯批量制备的关键技术,实现了稳定、可控、低成本生产。

  在中试平台的超净间,研究人员正在对生产石墨烯相关衍生产品的器件进行组装、测试和研究。“这一款超级电容器就是科研成果之一。别看它个头不大,却动力十足。它充满电只需要10秒,而且充放电达百万次以上。”忙碌中的中科院山西煤化所博士王振兵对记者说,“超级电容器由于具有非常快的充放电速度、超长的循环寿命,而且它的耐候性非常强。零下四十摄氏度,它的放电容量跟常温放电容量基本相当。”

  山西的石墨烯生产是不是已经实现了产业化?陈成猛说:“目前,石墨烯实现小规模的批量化生产,正处于石墨烯应用的培育期,同时也是投资的窗口期。我们正逐步聚焦、凝练了一些石墨烯真正可能应用的方向,比如储能,导电油墨、导热材料,电磁屏蔽,高性能的复合材料,防腐涂料,这些领域山西都有涉及。随着石墨烯下游应用的普及或者拓展,它的需求量会提升,这时候我们再从中试往产业化走。”

  放眼全球,目前,国际上很多国家纷纷从战略层面对石墨烯进行了部署,高度重视石墨烯产业发展,进行系统布局,投入大量资金对石墨烯行业进行支持,以期在新一轮的竞争中抢占石墨烯产业发展的制高点。我国是石墨资源大国,也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。2017年国家发改委公布《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》,将石墨烯等新材料纳入其中。石墨烯成为科学研究界的“新宠儿”,创造了许多不可思议。

  中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范认为,我国石墨烯基础研究队伍和产业化队伍在国际上应该说也是规模最大的,三分之二的专利来自中国,从2011年开始,石墨烯研发处于全球领先。当前,山西煤化所正在牵头制定的IEC国际标准有5项,牵头制定的国家标准有4项。同时,还有一系列的联盟标准和行业标准,由煤化所牵头或者参与制定的各类标准已有20项。由此可见,在全球的石墨烯标准化方面,山西有一席之地,而且是非常重要的地位。

  作为国际石墨烯标准制定领导者的国际电工委员会纳米电工产品与系统技术委员会秘书长、欧盟石墨烯旗舰计划标准负责人诺伯特法布里丘斯谈到,“截至目前,中国参与制定的石墨烯相关标准超过34%,其次是欧洲和韩国,分别占29%和21%。我强烈建议中国继续坚持标准制定工作,这对于保持中国在石墨烯市场的领先地位很有必要。”

  21世纪如果要有新的产业革命的话,就要靠石墨烯来引领。石墨烯的重要性可以说是不言而喻。在这样的背景下,我国也抢抓机遇,在石墨烯高端研发方面早早进行布局,并取得了一定的成绩,山西也在这方面有了一些突破。

  在中北大学纳米功能复合材料山西省重点实验室,科研人员正在开展石墨烯防腐涂料的应用和工程化研究,他们研制的石墨烯聚合物复合防腐涂料,大幅提高了防腐蚀性能、机械性能和剥离强度。该校前沿交叉科学研究院石墨烯应用研究中心则将目光聚焦在石墨烯高温压力传感器和高温温度传感器等前沿信息领域研发方面。

  在太原理工大学,科研人员利用低能电子显微技术证实了氧化石墨烯中的氧原子以冠醚结构存在。并成功探索出了石墨烯量子点在太阳能光电器件中的应用。

  在大同大学炭材料研究所,科研人员开发的液相剥离法制备石墨烯工艺,则独辟蹊径将石墨烯用在了农作物生产上,可使蔬菜增产30%—200%。

  陈成猛认为:“石墨烯未来的产业应用和发展方向,还要从制备角度,通过我们的技术手段进一步升级,同时把它的成本进一步降低。另外,从应用角度讲,我们将努力丰富下游应用场景,包括超级电容器,锂离子电池、导电油墨、防腐涂料等多元化的应用。”李孟委坦言,在发现石墨烯的阶段,我们可能错过了,希望在挖掘它的应用阶段,不再失之交臂。


亚美游戏

© 亚美游戏 版权所有 All rights reserved.
手机:13346261222 邮箱:1797060463@qq.com 技术支持: 网站地图