深度解读超级材料石墨烯

日期:2021-10-27 / 人气:

   纵观世界的发展史,就是一部材料的进化史。每一种新型材料的出现都引领着一个时代的发展,改变着人类的生活方式。十二五以来,我们国家已将新材料产业列为国家新兴战略性产业之一。

 

   21世纪,石墨烯时代即将来临,超级材料石墨烯的到来,将会给我们带来怎样的变化呢?本期为您带来——超级材料石墨烯

01  石墨烯是什么?
 

   石墨烯是一种新材料,由1个碳原子与周围3个近碳原子结合形成蜂窝状结构的碳原子单层。

 

   石墨烯来自石墨,烯代表不饱和。石墨是由一层一层的六边形碳原子层有序堆叠而形成,看起来就像是一个蜂窝状的立体图形。由于石墨各层面的分子间作用力较小,因此石墨层间很容易剥离,形成薄的石墨片,这也正是铅笔在纸上留下痕迹的原因。当石墨剥离成一个单层。即只有一个碳原子层时,所获得的就是石墨烯。
 


02  石墨烯的分类
 

单层石墨烯

 

单层石墨烯指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

 

双层石墨烯

 

双层石墨烯指由两层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛、AA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

 

少层石墨烯

 

少层石墨烯指由3-10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

 

多层石墨烯

 

 

多层石墨烯又叫厚层石墨烯,指厚度在10层以上10nm以下苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛、ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。
 

03  石墨烯的结构与性质
 

石墨烯由碳原子经SP²电子杂化轨道形成,是碳元素的一种同素异形体,是碳原子六边形结构组成的二维单层石墨层材料。它可以翘曲成零维的富勒烯,卷成一堆碳纳米管或者堆垛成三维石墨,是众多碳质材料的最基本单元。

 

内部结构

   

 

研究证实,石墨烯中碳原子的配位数为3,每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10^-10米,键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外,每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键(与苯环类似),因而具有优良的导电和光学性能。

 



石墨烯的结构
 

力学特性

 

石墨烯是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,且可以弯曲,石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa,固有的拉伸强度为130GPa。

 

热传导性能

 

石墨烯的结构十分稳定,内部的碳原子之间的连接十分柔韧。当外力施加在石墨烯上,其碳原子面会弯曲变形,以极其柔韧的身姿来承接外力,使内部的碳原子不必重新排列来抵抗外力的入侵,从而保持结构稳定。这种稳定的结构使石墨烯具有良好的导热性。

 

导电性

 

完美的石墨烯结构是二维的,并且只包括六边形结构,可以将其看作是一层被剥离的石墨分子。石墨烯结构中,碳原子以苯环状六边形连接,每个碳原子在连接之后会剩下一个P电子,能够在晶体中自由移动,赋予石墨烯良好的导电性。

 

稳定性

 

石墨烯中的电子在SP²轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生不必要的散射。由于石墨烯的原子间作用力十分强大,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯内部电子受到的干扰也非常小,可以应用在各种高新技术领域。
 

04  石墨烯应用阶段
 

石墨烯不仅是世界上已知的最强、最坚硬、最薄的材料,同时也是已知材料中电阻率最小、导热系数最高的物质。近年来,石墨烯材料在应用层面上的发展经历着初级、中级、高级三个阶段。

 

初级阶段

 

受制于成本因素,短时间内很难实现大规模的石墨烯单独应用,石墨烯主要用于提高其他材料的性能,有望在锂离子电池、导热材料、导电油墨、防腐涂料等领域发挥重要作用。

 

中级阶段

 

随着高质量石墨烯量产技术逐渐成熟,石墨烯应用有望通过支持各类新型器件,在柔性显示、太阳能电池、超级电容器、膜材料、传感器、晶体管以及假体植入物等方面找到新的出路。

 

高级阶段

 

 

一旦石墨烯量产化成熟,晶圆级石墨烯单晶取得突破之后,将通过系统集成,不断挑战技术突破,在技术门槛更高的未来生物医疗、高频器件以及高强度多功能复合材料等领域,有望发挥颠覆传统产业的潜力。

 




 

作者:本站编辑


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