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淺析石墨烯在航海保障中的應用

◎ 童揚武 黃良明 ?？诤綐颂?br/>何丹 廣州黃埔文沖船廠

摘 要：石墨烯以其具有的強導電導熱性、超強拉伸能力等特性，成為世界最受關注的新型納米材料，它的這些特性非常適合在航海保障領域內使用和推廣，本文結合航保領域的實際應用，通過石墨烯在超級電容、太陽能電池、力學性能、防腐性能四個方面的應用進行分析，展望石墨烯將對航海保障領域帶來的改變。

關鍵詞：航海保障 超級電容 太陽能 電池力學 防腐

1.引言

航海保障事業(yè)主要包括航標、測繪、通信三大業(yè)務版塊。目前，我國航海保障領域內所使用的大部分設施設備仍然是傳統工藝。這些傳統的工藝、技術已經無法滿足日益增長的航海保障需求。那么新材料、新技術的引入，將是航海保障未來發(fā)展的必然途徑。近年來，石墨烯材料是世界最受關注的新型納米材料，它所具有超級電容、復合材料等很多方面的特性，非常匹配航海保障事業(yè)中的需要。在未來石墨烯材料必將廣泛應用于航海保障事業(yè)中，帶來翻天覆地的變革。本文通過電池改進、吊機改進、防腐改進、電子元件改進四個方面在航海保障的應用，淺析石墨烯對提高航保智能化、科技化的作用。

2.背景

石墨烯是目前人類發(fā)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。它是由一層碳原子構成的六角型蜂巢晶格平面薄膜，一種穩(wěn)定苯圓環(huán)結構的納米材料。石墨烯原本就存著于自然界，一層層疊起來就是石墨。形象的說，1mm厚的石墨，大約包含300萬層石墨烯，我們用鉛筆在紙上輕劃，留下的痕跡就可能是幾層石墨烯。石墨烯之所以一直以來沒有被人們發(fā)現和重視，是因為它難以剝離出單層結構。直到2004年，科學家在實驗中用微機械力法從石墨中分離出石墨烯。石墨烯才正式的出現在世人面前，它的眾多優(yōu)秀的特性決定了它在眾多領域具有深遠的科學意義。（附表1）

3.特性及其應用

表1：石墨烯的物理特性

3.1超級電容

現狀∶航海保障中廣泛使用的鉛酸蓄電池一直以來就是被詬病的部分。燈浮標中使用的鉛酸電池容量為160Ah，每塊為20KG，每個燈浮標使用2塊。燈塔內使用為大型燈器供電的鉛酸電池組，每塊30KG，18塊為一組，共2組，一組備用。鉛酸電池使用周期短，每月都需要進行相應的電流電壓檢測，電壓達不到就需要更換，為此投入的人力物力非常之大。加上燈塔多在于孤島岬角，水標需要跳標，人工搬運。鉛酸電池非常重，維修更換十分不便。人們嘗試使用鋰電池代替鉛酸電池，但是因為鋰電池中所使用的電極材料鋰是活躍金屬，在高溫高鹽環(huán)境下很不穩(wěn)定，不適合在航標、燈塔中使用。

展望：那么石墨烯材料制成的超級電容就可以很好的解決上述的困難。超級電容器，即電容很大而且能充電迅速的電容器。超級電容器最核心技術是其所采用的電極材料，要求電極具有較高的比表面積、良好的導電性。石墨烯分子機構中電子或者空穴可以在共軛體中高速移動，就形成了石墨烯的層與層之間中的載流子，這種載流子的傳輸性能，可以近乎光速的速度移動，而且基本不受溫度影響。結構賦予的高導電性、高比表面積非常滿足超級電容器的電極材料要求。因此將石墨烯作為電極材料制作卷繞式電容器，得到電容值很大的電容器單體，這種超級電容存儲的電能很大，充電時間很短，通俗的說，如果用在電動汽車上，充電1分鐘，可以跑300公里。

3.2超高效太陽能電池

現狀：太陽能電池，航保業(yè)務中多為涉海工程，使用市電的情況很少，采用的能源大多使用太陽能發(fā)電。太陽能電池在當今社會，技術已經是比較成熟，一般的方法是利用半導體化合物，常見的就是晶體硅，作為光催化劑制成太陽能電池。光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被接納，將電子從共價鍵中激起，接通電路后就形成電流。特點就在于界面層發(fā)作的電子-空穴對越多，電流越大，界面層接納的光能越多。目前使用的硅板太陽能，在陽光不充足的時候無法滿足正常供電需求。

應用：那么用石墨烯制成的光催化活性材料來代替硅、鍺化合物，將會大大提升太陽能轉化效率。因為從上述的光伏效應原理分析，石墨烯具有更加優(yōu)異的電化學和光學性能，其界面面積大可以有效分離激子及傳輸載流子，室溫下石墨烯具有10倍于商用硅片的高載流子遷移率；另外，在聚合物太陽能電池中，石墨烯可以用作緩沖層減緩電子空穴的復合，提高穩(wěn)定性、轉化效率。石墨烯還具有透明導電性能，這使得包括中遠紅外線在內的所有紅外線具有高透明性。石墨烯的導電率將高達ITO（銦錫氧化物，具有高的導電率、高的可見光透過率、高的機械硬度和良好的化學穩(wěn)定性）的幾倍并且可以保證90%光透射率，提供了制造超高效太陽能電池的保障。

3.3力學性能

現狀：航保事業(yè)仍然是的勞動力密集行業(yè)，船舶作業(yè)，浮標、錨鏈、沉塊等起吊保養(yǎng)更換，燈塔燈籠搬運等。都是需要大量的機械和人工作業(yè)。以浮標為例，浮標的材質多為鋼質，往來船舶經常會和浮標發(fā)生碰撞，導致浮標燈架受損。而浮標的保養(yǎng)又比較復雜，浮標維護方式首先需要航標作業(yè)船，船甲板上裝有吊機，然后航標作業(yè)船慢慢靠近浮標，然后人工用繩索套住浮標，使浮標靠近船舷，最后作業(yè)人員選擇時機跳上漂浮不定的浮標。加上浮標定位用的錨鏈非常沉重，人工作業(yè)存在安全隱患，非常不利于航保事業(yè)的發(fā)展。

展望：那么石墨烯是目前世界上強度最高的物質、也是最強韌的材料，試驗表明在石墨烯樣品微粒每100納米距離上可以承受最大大約2.9 微牛的壓力。這就意味著而且，石墨烯的斷裂強度比最好的鋼材還要強200倍。同時，石墨烯有很好的彈性，質量小，可以用來代替鋼材。用石墨烯材料制作的吊機、吊繩、浮標、錨鏈、完全可以達到，重量輕、強度大、耐腐蝕等優(yōu)秀的物理、化學特性。如果在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能讓塑料導電；加入千分之一的石墨烯，就能使得塑料的提高30攝氏度抗熱性。在此基礎上研制出薄、輕、拉伸性好和超強韌性新型材料用于制造船舶、吊機、吊索、新型浮標，乃至燈塔等。必將大大減輕航標作業(yè)的人力物力投入，減少浮標因船舶碰撞造成的損壞，從而減少更換保養(yǎng)的次數，實現安全可靠的作業(yè)方式，為航保事業(yè)的發(fā)展提供助力。

3.4防腐性能

船舶，浮標、錨鏈都是鋼質材料，長期在高溫高鹽的海洋環(huán)境中，雖然采用了油漆涂層物理防腐、附著鋅塊犧牲陽極化學防腐、毒性油漆阻礙海生物附著生物防腐，但是還是會在一段時間后產生銹蝕。在銹蝕后，航標工人就需要吊起浮標，更換錨鏈，除銹后噴漆再次使用，這是一項很需要人力物力投入的工作。

展望：那么石墨烯涂料在防腐方面也具有很優(yōu)異的性能，使用它可以制成防腐涂料、聚合物涂料、抗靜電涂料等。石墨烯用于涂料中可制備純石墨烯涂料、石墨烯復合涂料，和石墨烯氧化物涂料，據研究表明這些防腐涂料能在相對苛刻腐蝕環(huán)境里應用，并具有能達到比常規(guī)防腐涂料更長保護期，尤其是石墨烯氧化物涂料，其防腐性能是普通的油漆防腐性能的數倍，異常堅硬，甚至可以抗強腐蝕性酸。這些特性用在航海保障行業(yè)中，必將大大減輕航保作業(yè)的工作量，減輕人力物力。

3.5其他

石墨烯還是已知導電性能最出色的材料。電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠超過電子在一般金屬導體中的運動速度。這種特性適合于高頻電路，航保中使用的雷達應答器，導航系統，都是需要高頻電路的。同時，石墨烯可以展望它在未來全面取代硅，成為生產超級計算機的材料。

4.存在問題

石墨烯確實具有很多的優(yōu)秀特性，但是也存在一些問題。

（1）嚴格意義上完美無瑕的石墨烯是不存在的，目前實際制備獲得的石墨烯大都具有缺陷和非碳原子官能團，缺失的程度將影響其性能，和理想狀態(tài)下的石墨烯還是有差距。

（2）石墨烯材料目前價格較為昂貴，實驗室制備的產量尚不能廣泛應用于市場。離工業(yè)化量產還有需要一段時間的發(fā)展。

（3）氧化石墨烯納米顆粒對人體很可能是有毒的。而且它的優(yōu)異特性導致它在地表水里非常穩(wěn)定、極易擴散。所以它對環(huán)境影響下還需要進一步論證，否則一旦大面積使用，就像現在社會使用的塑料一樣難以降解，就會帶來不必要的麻煩。

5.結束語

石墨烯自發(fā)現以來就備受各個研究領域的青睞。我國的石墨烯產業(yè)化正蓬勃發(fā)展，多個以石墨烯為基材的產品已經問世，產業(yè)化高質量和更低價格的石墨烯可能將很快實現，加上我國的石墨資源豐富。我們有理由相信在不久的將來航海保障事業(yè)也必將隨著未來的生產生活方式改變，走向更加科技化智能化。