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石墨烯新材料的前景

圖文 更新时间:2025-02-04 07:26:50

上榜理由

最薄且最堅硬的納米材料,将開啟超多領域的新“烯”望

石墨烯是目前世界上最薄且最堅硬的納米材料,它幾乎完全透明,隻吸收2.3%的光,導熱系數高達5300 W/m·K(高于碳納米管),常溫下電子遷移率超過15000cm2/V·s(高于碳納米管和矽晶體),電阻率隻有10-6 Ω·cm,為目前世界上電阻率最小的材料,未來将在超多領域引發颠覆性的技術産業革命。

材料簡介

石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格結構的二維碳納米材料,它在2004年由英國曼徹斯特大學物理學家Andre Gein和Konstantin Novoselov通過機械剝離法從石墨中分離得到,他們也因此獲得2010年的諾貝爾物理學獎。

石墨烯具有優越的物理與化學性質,号稱世上最薄最堅硬的納米材料,其厚度可薄至0.34nm,比表面積為2630m2/g,導熱系數高達5300 W/m·K,高于碳納米管和金剛石。其在強度、韌性等方面也表現優異,強度約為180Gpa,是普鋼鋼材的200倍。

應用領域

锂離子電池、超級電容器、導電油墨、觸摸屏、柔性電子、散熱材料、防腐塗料、生物傳感器、太陽能電池、燃料電池…

發展曆程

  • 1918年,石墨氧化物質的性質被詳細描述
  • 1948年,投射電子顯微鏡拍攝出少層石墨烯圖像
  • 1966年,Mermin-Wagner理論提出二維晶體易被破壞,石墨烯隻是作為研究碳質材料的理論模型
  • 20世紀90年代,碳納米管誕生,人們意識到單層石墨烯作為理想模型的意義
  • 2003年,哈爾濱工業大學的甘陽教授開創性的采用STM針尖掃描石墨表面得到了單層石墨烯,并且研究了石墨烯的晶界和超結構
  • 2004年,英國曼徹斯特大學物理學家Andre Gein和Konstantin Novoselov用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯
  • 2008年,韓國成均館大學和美國休斯敦大學首次采用CVD法大面積制備石墨烯薄膜
  • 2009年,李雪松、蔡偉偉博士等首次提出石墨烯在銅基底上生長和轉移方法,單層率大于95%,成果發表于《Science》上
  • 2010年,蓋姆教授與諾沃肖洛夫教授獲得諾貝爾物理學獎,石墨烯受到全球關注
  • 2011年,我國首個石墨烯研究與産業孵化機構-江南石墨烯研究院成立
  • 2013年,中國石墨烯産業技術創新戰略聯盟成立
  • 2014年,鴻納科技千噸級石墨烯生産線投産
  • 2015年,工信部、發改委和科技部聯合發布《關于加快石墨烯産業創新發展的若幹意見》,這是我國在石墨烯領域的首個國家層面綱領性文件,提出将石墨烯産業打造成先導産業
  • 2018年,石墨烯領域首個國家标準正式發布
  • 2020年,科學家首次實驗制備和表征到了具有磁性的碳基納米石墨烯分子材料,這将帶動一個新研究領域的興起——碳基磁性材料

行業發展現狀

按地區劃分,北美在2019年占有石墨烯市場的最高份額,預計在短期内将保持其主導地位。此外,預計亞太地區将保持較快的增長,因為亞太地區的電子和汽車行業都在快速增長,這些産業都是石墨烯的主要終端用戶之一。

全球石墨烯産業中較為突出的國家有美國、澳大利亞和中國。這三個國家也是《新華(常州)全球石墨烯指數報告(2019)》中石墨烯産業績效評價的前三甲。其中,美國憑借其在企業表現、論文影響力和專利布局等方面的突出表現位居首位。澳大利亞擁有高水平的論文質量,學術影響力明顯。中國石墨烯技術專利應用則最為廣泛。

各國的在石墨烯上的研發側重點有所不同。美國側重于CMOS與半導體,歐洲側重于RF射頻器、電池與油墨,韓國則集中于顯示器的應用。國内安炬科技目前的石墨烯産品有以漿料、噴漆、薄膜等,藍石科技、久元電子投資的久宏鑫公司則是重點發展石墨烯CVD成長技術,而台苯公司的子公司亞洲碳素則計劃進行石墨烯的量産,同時生産石墨紙與石墨負極材料,這兩項産品有望使用在智能手機和電動車锂電池市場。

市場規模預測

據Allied Market Research公司的統計及預測數據顯示,2019年全球石墨烯市場規模為9130萬美元,預計到2027年将達到13.691億美元,2020年到2027年的複合年增長率為40.2%。

主要研究單位/公司

國内:甯波墨西、第六元素、青島昊鑫、德通納米、烯碳科技、寶泰隆、重慶墨希、德方納米、安炬科技、藍石科技、久宏鑫、亞洲碳素、暖宇新材…

國外:ACS Material LLC、Bluestone Global Tech、Graphene Nanochem PLC、Graphenea SA、G6 Materials、Haydale Limited、Nanotek Instruments Inc.、Vorbrck Materials、XG Sciences…

以上排名不分先後,名稱均為簡稱

應用案例

超級計算機:石墨烯晶體管極有可能應用于超能效超高速計算機,超高速是指目前速度的一千倍,超能效是指僅使用目前百分之一的能耗。

石墨烯新材料的前景(100大潛力新材料石墨烯)1

超級計算機中心

圖片來源:圖蟲創意

新型顯示器:石墨烯薄膜可實現可折疊與伸縮的超薄顯示器。

石墨烯新材料的前景(100大潛力新材料石墨烯)2

石墨烯新型顯示

圖片來源:圖蟲創意

超級汽車:未來的石墨烯電池汽車或可實現充電10分鐘,續航1000公裡。

石墨烯新材料的前景(100大潛力新材料石墨烯)3

汽車續航能力

圖片來源:圖蟲創意

手機散熱:SETTLERα 石墨烯手機、石墨烯觸控屏、搭載石墨烯液冷系統的華為Mate 20X…

石墨烯新材料的前景(100大潛力新材料石墨烯)4

搭載石墨烯液冷系統的華為Mate 20X

圖片來源:圖蟲創意

導電油墨:“Vor-ink”石墨烯導電油墨…

石墨烯新材料的前景(100大潛力新材料石墨烯)5

Vor-ink石墨烯導電油墨

圖片來源:圖蟲創意

體育用品:YouTek 石墨烯飛速系列網球拍手柄部位…

石墨烯新材料的前景(100大潛力新材料石墨烯)6

石墨烯用于網球拍手柄部位

圖片來源:圖蟲創意

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