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榮格工業-圣德科

“新材料之王”石墨烯,深藏功與名

來源:榮格 發布時間:2017-01-20 1096
塑料橡膠材料處理、計量與檢測模具及零件添加劑及母粒
石墨烯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。它是目前自然界發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,被稱為"黑金"和"新材料之王"。  
雖然才出現了十來年的光景,作為一種新材料,石墨烯為人類的發展創造了許多價值。但科學家甚至預言石墨烯將"徹底改變21世紀",極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。而你,對它在各行各業的功能應用了解嗎?
 
汽車領域——石墨烯潤滑油添加劑
傳統的潤滑油添加劑,潤滑效果跟顆粒自身的大小有著直接的關系。實際使用表明,潤滑劑在微米尺度上越小潤滑性能越高。
石墨烯基高分子納米顆粒,通過在納米合金微粒表面鍵合了一層有機化合物,從而獲得了一系列結構穩定、抗氧化的特質。大量研究還發現適量的石墨烯添加劑作為納米滑動軸承不僅能夠減小摩擦系數,還能通過摩擦吸收膜的形式顯著提高潤滑劑的承載抗磨性能。
 
通過實驗,研究人員發現在潤滑油中添加石墨烯后,金屬的表面硬度會大幅增加,而且不易受到硝酸,硫酸等化合物溶液的腐蝕,能有效防止其生銹。并且隨著接觸面之間的相對運動,石墨烯會均勻并且牢牢地附著在整個接觸表面,使潤滑效果更好。
 
研究表明,石墨烯在對發動機抗磨修復,減排節能、提高動力等方面效果十分顯著。
 
電池領域——電動車電池
作為電動車動力來源的電池有著無比重要的位置,而石墨烯這種納米材料,讓傳統電動車電池性能有了新的突破。石墨烯作為幾乎是完全透明的材料,只吸收2.3%的光,電阻率比銅或銀更低,是目前世界上電阻率最小的材料。基于其極低的電阻率,電子遷移的速度快,石墨烯電池有著優異的導熱性和能量轉換效率。
由于石墨烯的電化學性能,電池正極形成表面含氧官能團與鋰電子在高電位下發生氧化還原反應,且不可逆容量較低;由于石墨烯具有與低溫軟碳材料類似的充放電特性,負極材料中大量的微孔缺陷能提高可逆儲鋰容量,石墨烯電池具有超量的儲能。
 
醫療領域——優質導電性的高靈傳感器
自從2004年,石墨烯被分離出后,科學家就開始在不同材料中加入這些碳原子,獲得其中的高韌性和導電性,創造出復合性材料。石墨烯被廣泛應用于納米復合材料中,卻很少有嘗試用“高粘彈性”物質比如橡皮泥與之混合。于是研究人員將兩種材料——石墨烯和橡皮泥(SillyPutty)混合,得到一種黑色粘性物被稱為G-putty,它造就出優質導電性的高靈敏傳感器。
 
實驗數據顯示,其靈敏度約為市面上最便宜金屬傳感器的250倍。通常,隨著時間的推移,電阻隨著SillyPutty自愈而逐漸恢復到其原始值。當研究人員把一塊G-putty接通電源,放在一位學生身上,他頸動脈的跳動能夠清晰地體現在電阻的變化中。事實上,脈搏跳動的情況可以精細到能夠將它轉變為準確的血壓讀數。同時,如果將傳感器放在學生的胸部,它也能夠監測他的呼吸情況。
石墨烯薄膜在橡皮泥內形成一個操作網,然后又將材料扭曲變形,將網絡破壞分離,快速提升電阻力。G-putty的低粘度使得石墨烯碳層再次回到原位置并形成網絡。研究人員稱:“這是一個自我修復的現象。”
 
目前常見的應用是添加石墨烯到塑料里以提高導電、機械、導熱或阻隔性能,所得到的復合材料的表現如預期一樣,沒有太大的驚喜。但是G-putty具有在任何其他復合材料中都沒有發現的這種獨特的性質,這將為傳感器制造開辟另一個全新的領域。
 
制造領域——多孔三維石墨烯結構
美國麻省理工學院(MIT)的科學家通過按壓并熔化石墨烯薄片,制造出迄今最輕質堅固的材料之一——一種多孔的三維石墨烯結構,其形狀類似海綿,密度僅為鐵的5%,但堅固程度為鐵的10倍多。
 
在最新研究中,研究團隊通過施加熱和壓力,將石墨烯小薄片按壓在一起,制造出一種復雜穩定類似珊瑚和硅藻類生物的結構。新結構名為“螺旋二十四面體”,其表面積相對體積來說很大,但非常堅固。
新研究表明,新結構的優異性能更大程度源于這一獨特的構造而非材料本身。這意味著,科學家可以將其他材料制成同樣的幾何形狀,來獲得同樣強度的輕質材料。
 
研究人員認為,同樣的幾何形狀甚至能應用于更大塊頭的結構材料。比如,制造橋梁的水泥可制成同樣的多孔幾何形狀,在降低重量的同時獲得同樣的堅固程度。此外,由于這一形狀內充滿了細小的孔隙,因此,有望用于過濾水或化學物質。
 
環保領域——石墨烯光催化治理黑臭污染水體 
“石墨烯光催化治理黑臭污染水體”項目日前通過國家級鑒定。根據這一技術研發出的石墨烯可見光催化網、可見光催化石子、可見光催化人工水草等系列產品對處理黑臭水體有明顯效果。
其中,石墨烯強化光催化氧化網能夠在較短時間內,消除水體黑臭,而且無需外加能源動力、無需添加化學藥劑或生物菌種,是一種具有廣泛應用前景的水體凈化技術。
 
據了解,石墨烯可見光催化網以聚丙烯纖維為基材,通過獨特涂覆工藝負載多層石墨烯光催化材料而成,可用于水體凈化、空氣凈化等,尤其適用于城市黑臭水體的治理,可對水體中有毒有機物進行分解、除臭,增加水體含氧量,與其他治理技術兼容性強,材料綠色環保,并且可以循環使用。

 

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