陳航宇

摘要：石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。當(dāng)然石墨烯在當(dāng)代手機(jī)電子產(chǎn)品、汽車(chē)、服裝中的應(yīng)用也十分的廣泛，不僅解決了不少產(chǎn)品的性能問(wèn)題，同時(shí)把石墨烯運(yùn)用到產(chǎn)品核心部件中有效的減輕了產(chǎn)品的重量，提高了產(chǎn)品性能和便攜性。

關(guān)鍵詞：石墨烯;產(chǎn)品化;工業(yè)化

一、石墨烯的發(fā)展歷史

石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。經(jīng)過(guò)5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性。

我國(guó)的石墨烯行業(yè)發(fā)展起步較晚，直至2012年，石墨烯的市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有出現(xiàn)，更不用談出現(xiàn)什么開(kāi)創(chuàng)性的專利或者產(chǎn)品。但是，到了2013年，我國(guó)的石墨烯研究迎來(lái)了春天，專利研究百花齊放。同時(shí)，影響到了下游的產(chǎn)品，促使我國(guó)的行業(yè)市場(chǎng)急速發(fā)展。之后，僅僅花了兩年，我國(guó)趕上了乃至超越了先行的一些國(guó)家，和美國(guó)日本占據(jù)了石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展?jié)摿η叭弧?guó)家對(duì)石墨烯領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)也較早的就給與了關(guān)注。在這些年中，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、中國(guó)科學(xué)院等國(guó)家機(jī)構(gòu)對(duì)石墨烯的發(fā)展做出的投資的政策影響，有著十分正面積極的推動(dòng)作用。

二、石墨烯對(duì)手機(jī)電子產(chǎn)品的性能提升

2018年10月23日，三星在其官方微博上預(yù)告了石墨烯電池的使用。據(jù)稱，該電池在12分鐘內(nèi)即可將手機(jī)充滿電，而無(wú)需使用目前市面上最多的VOOC快充頭。在此之前，華為宣布，華為Mate20X采用了石墨烯液冷散熱技術(shù)，通過(guò)搭載一層石墨烯散熱膜，手機(jī)的急速冷卻性能獲得大幅提升，即便長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行高耗能應(yīng)用，也能讓機(jī)身保持“冷靜”。

電子產(chǎn)品的散熱是影響電子產(chǎn)品功耗和壽命的關(guān)鍵因素，散熱性不好的電子設(shè)備往往在微型化和性能上存在問(wèn)題，此外，其可靠性也不盡如人意。在過(guò)去的幾代智能手機(jī)中，手機(jī)廠商們主要是通過(guò)大面積的金屬背板，附加限制最高的工作溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)的溫度控制，然而這與消費(fèi)者對(duì)手機(jī)輕量化、高性能的追求是背道而馳的。低維碳納米材料，如石墨烯和碳納米管等，因?yàn)槠錁O高的彈性常數(shù)和平均自由程，具有很高的熱傳導(dǎo)率，又因其在高溫下的穩(wěn)定性，可用作高效散熱材料，散熱能力比普通鋁合金高四倍。手機(jī)上的揚(yáng)聲器和耳機(jī)都是發(fā)聲器件，發(fā)聲器件是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲學(xué)信號(hào)的電子器件，最早的發(fā)聲器件可以追溯到1877年愛(ài)迪生發(fā)明的留聲機(jī)?，F(xiàn)有的發(fā)聲器件多種多樣，按照工作原理可以分為電磁發(fā)聲、電容發(fā)聲以及壓電發(fā)聲，其工作本質(zhì)是借助薄膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，從而推進(jìn)空氣波動(dòng)發(fā)出聲音。基于石墨烯所具備的優(yōu)異熱學(xué)性能和輕巧柔性的特點(diǎn)，石墨烯可以被用來(lái)制作全柔性超薄透明石墨烯耳機(jī)，與當(dāng)下最流行的AirPods無(wú)線入耳式耳機(jī)相比，石墨烯耳機(jī)不僅具有更好的柔韌性以貼合耳部，還具備生物兼容性，對(duì)人體沒(méi)有任何負(fù)面影響。對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間佩戴耳機(jī)進(jìn)行工作或通話的某些特定人群，或者是追逐時(shí)尚的都市年輕人，甚至是需要助聽(tīng)器的聽(tīng)障人士，一款基于石墨烯的全柔性耳機(jī)都具有重要的意義。

三、石墨烯在汽車(chē)中的應(yīng)用

石墨烯在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用有儲(chǔ)能器、超級(jí) 電容器、鋰離子電池，以及新能源汽車(chē)用的 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，還有傳感器和復(fù)合材料。 我們把這一類(lèi)復(fù)合材料稱為納米復(fù)合材料， 比如導(dǎo)電透明的薄膜，手機(jī)屏幕用的軟膜。 此外還有導(dǎo)熱、潤(rùn)滑、電子器件，防腐和電 子屏蔽等，這些都是與汽車(chē)領(lǐng)域關(guān)聯(lián)度比較 高的應(yīng)用。

儲(chǔ)能性是石墨烯最有發(fā)展前景的領(lǐng)域，至 少國(guó)內(nèi)是這么認(rèn)識(shí)的，石墨烯電池、石墨烯超 級(jí)電容大家一直在討論，這個(gè)領(lǐng)域是最熱火 的。全球也好我們也好，有望讓儲(chǔ)能器的容量 密度提高一倍，從一小時(shí)的充電時(shí)間降到幾分 鐘，這跟新能源汽車(chē)密切相關(guān)。

燃料電池是新能源汽車(chē)一個(gè)很重要的方 面，燃料電池鉑氮量一直是電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的難 題，而石墨烯是降低鉑氮量最重要的一個(gè)材 料，甚至可以讓石墨烯和一些非貴金屬的催化 劑合作替代鉑。

納米復(fù)合材料與輕量化是相關(guān)的，也是重點(diǎn)的領(lǐng)域之一。它可以制備又輕質(zhì)又高強(qiáng)又廉價(jià)的材料，石墨烯的價(jià)格現(xiàn)在很貴，但是降價(jià)速度也很快。石墨烯納米材料的添加狀況和碳纖維完全不同。

四、石墨烯在電子產(chǎn)品中發(fā)展中的前景

如果將手機(jī)比作人體，那么電池就像人的消化系統(tǒng)，負(fù)責(zé)提供能量;顯示屏就像人的外貌;散熱裝置就像人的血液循環(huán);聲學(xué)部件就像人的感官系統(tǒng);處理器則相當(dāng)于人的大腦，是最為核心的元件。

目前，硅作為信息技術(shù)和能源兩個(gè)重大領(lǐng)域的龍頭材料，至今仍然發(fā)揮著無(wú)可替代的作用?；趩尉Ч璧募呻娐沸酒钱?dāng)今高科技產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。隨著“摩爾定律”無(wú)法再適用于目前硅基晶體管器件的更迭，人們?cè)谌ふ铱梢蕴娲男虏牧?。碳元素作為元素周期表中硅的同族元素，具有與硅相媲美或者更勝一籌的性能，石墨烯的出現(xiàn)，一度被認(rèn)為是電子信息技術(shù)領(lǐng)域的“救世主”，是續(xù)寫(xiě)“摩爾定律”的不二人選。

目前，硅基處理器再創(chuàng)新高，工藝技術(shù)突破至7納米。碳材料已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)1納米的處理器。當(dāng)然，這一技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走到生產(chǎn)線上還存在很大的距離，但是可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)將有手機(jī)搭載碳基處理器的那一天。

毫無(wú)疑問(wèn)，這些石墨烯“黑科技”離我們?nèi)粘Ｉ畹木嚯x已經(jīng)越來(lái)越近，僅在一臺(tái)智能手機(jī)上，便有如此多的潛在應(yīng)用空間。相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，它會(huì)走進(jìn)我們的生活，融入我們的生活。

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