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21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯

时间:2016-02-23 11:13    来源: 网络投稿     作者: 佚名

 看新闻说21世纪是碳世纪,石墨烯将……

    手机充电仅需几秒钟?手机屏幕能折叠弯曲?电动车电池续航800公里,充电几分钟即可完成。由这种物质构成的聚合物电池可为无人机和心脏起搏器提供能量……这些设想或许都将因为有“21世纪神奇材料”之称的石墨烯的面世而成为可能。

    石墨烯真的这么牛? 

21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯
21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯

    2004年,曼彻斯特大学2位研究员Andre Geim和Kostya Novoselov成功地从石墨中分离出了石墨烯,这项成果使得他们两位在2010年荣获诺贝尔物理学奖。其中,石墨烯的发现者之一、诺贝尔物理学奖得主Andre Geim曾经对石墨烯做过这样形容:“石墨烯对很多人来说,就像爱丽丝仙境一样,非常神奇。”

    不知道大家还记不记得前一阵习大大访问英国之旅,其中有个细节就是习大大专门去英国曼彻斯特大学石墨烯研究所参观了一下。2015年10月23日,习大大参观的曼彻斯特大学的国家石墨烯研究所(National Graphene Institute)以夺目之势走进了石墨烯粉们的眼球。

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2015年10月23日,习大大访问的英国曼彻斯特大学石墨烯研究

21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯
(图源:新华网)

    石墨烯到底是神马,为什么习大大这么重视它?

2石墨烯到底何方神圣?

●神奇石墨烯,到底何方神圣?

    石墨烯是一种研究性极强的多用途物质,是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,只有一个碳原子的厚度。碳原子之间相互连接成六角网格。铅笔芯用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起,而碳纳米管就是石墨烯卷成了筒状。

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石墨烯的结构:碳原子之间相互连接成六角网格

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铅笔芯用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起

    石墨烯是由碳六元环组成的二维(2D)周期蜂窝状点阵结构,它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite),因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料。

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石墨、石墨烯、碳纳米管和球烯之间的关系(图片来源:enago.com)

    石墨烯是迄今为止自然界最薄、强度最高的材料,具有透明、导电性强、可弯折、机械强度好等特征,可以被无线拉伸,弯曲到很大角度不断裂,还可以抵抗很高的压力,它可以像钻戒一样坚韧,比钢铁强200倍,又像橡胶一样坚韧。

21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯
石墨烯是一种“超级材料”(图源:21世纪网)

    石墨烯出现在实验室中是在2004年,当时,英国曼彻斯特大学的两位科学家Andre Geim和Kostya Novoselov发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

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可提取石墨烯的石墨粉

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直接通过石墨的剥离得到石墨烯是一种简单高效的方法

    石墨烯有着非同寻常的导热性和导电性。自从2004年第一次被成功制造出来之后,就被科技界看好,认为它是一种颠覆性的全新材料,因其优异的特性,许多人认为21世纪将成为“石墨烯时代”。

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石墨烯具有的特性(图源:21世纪网)

    中国科学院院士、中国科学院金属研究所研究院成会明认为,石墨烯的导电率很高,化学结构又十分稳定,是一种用于移动电池、电源很理想的电极材料。可以和电子元件、电子设备进一步结合,以增强其它储电设备的储电率。

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石墨烯由单层碳原子组成的二维晶体

    石墨烯的另一个神奇之处在于“零渗透”——所有气体、液体都无法渗透,有着“针插不进,水泼不进”的本事。比如,给船体涂上石墨烯涂层,海水中重金属离子等就无法穿透这层薄膜去腐蚀船体。

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石墨烯结构示意图

    让人感到惊奇的远不止这些。石墨烯具有很强的吸附性,科学家正在研究用它做过滤装置,用于海水淡化、污水处理等领域。它几乎又是完全透明的,具有非常好的透光性,适合作为透明电子产品原料。

3当石墨烯遇到3D打印


●当石墨烯遇到3D打印

    尽管目前大多数桌面级3D打印机都仅限于塑料线材,但许多制造专家都认为,3D打印技术更多的创造潜力蕴藏在范围更广的其他材料和应用特征上,比如我们现在讨论的石墨烯材料。

    2016年2月9日,美国Lawrence Livermore国家实验室(LLNL)和加州大学Santa Cruz分校的科学家们宣布,他们首次使用超轻的石墨烯凝胶3D打印出超级电容,从而为产品设计师更加自由、不受设计限制地将高效能源存储系统用于智能手机、可穿戴设备、可植入设备、电动汽车和无线传感器打开了大门。

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美国科学家用石墨烯3D打印出超轻超薄的超级电容

    据了解,LLNL的研究团队使用了一种被称为直接油墨书写(direct-ink writing)的3D打印工艺和该实验室自己设计的氧化石墨烯复合油墨来打印微结构,制造出可以保留能量的超级电容,比当前使用电极制造的同类电容薄10到100倍。

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这种3D结构的超级电容器充电速度非常快

    这种石墨烯“线材”能够通过挤出头3D打印微结构,一旦3D打印成指定的结构之后,这个石墨烯对象还需要进行热处理,以确保它具有石墨烯的所有特性,在此之后,这些3D打印的对象就可以用于各种处理,并仍会保持其石墨烯的性质。

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显微镜下的3D打印石墨烯

    2016年1月28日,该成果发表在《Nano Letters》杂志上,这项技术突破了2D制造的限制,用它可制造出各种各样复杂的3D结构,这项技术可使我们在智能手机里为能量存储系统留下一个很小的空间即可。这种超级电容器的充电速度非常快,理论上只需要几分钟或者几秒钟即可完成充满电量。

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Graphene 3D Lab推出的新型3D打印材料Graphene Flex Foam(石墨烯柔性泡沫)

    关于3D打印技术与石墨烯的结合,另一个值得关注的事件就是:2015年11月23日,知名3D打印材料公司Graphene 3D Lab通过其电子商务网站向外界宣布推出新型3D打印材料Graphene Flex Foam(石墨烯柔性泡沫)。

21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯
该材料具备重量轻、可重构,具有多孔结构,而且易于使用和处理等特点

    Graphene Flex Foam是一种多层独立式柔性石墨烯泡沫,它将导电性弹性复合材料与超轻的石墨烯泡沫结合在了一起。这种泡沫,实际上是具有高导电性的三维化学气相沉积(CVD),与复合材料结合,从而具备了石墨烯的多个优良属性。作为一种柔软的泡沫,该材料具备重量轻、可重构,具有多孔结构,而且易于使用和处理等特点。

   Graphene Flex Foam是在离子电池的电极制造中优质的基本材料,非常适合用于穿戴电子产品,这是因为电子器件、传感器和导线等都非常需要通过这种柔性的可穿戴材料来实现。


4前景美好,“烯”望无线

●前景美好,“烯”望无限

    作为一种技术含量极高的碳材料,石墨烯在触控屏、半导体、光伏、锂电池、光器件、航空、军工、LED、激光等领域或将带来一次革命。不过,由于售价高昂,石墨烯目前尚未产业化。有分析认为,石墨烯一旦实现产业化,其产值至少在万亿以上。如果研发和应用进行得顺利的话,也许我们的生活很快就会时时刻刻都需要使用这种材料了。

21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯 石墨烯可用于显示屏的制作

    目前,石墨烯产业被纳入国家战略布局。《中国制造2025》选择10大优势和战略产业实现重点突破,在首个重点领域技术路线图中,石墨烯材料成为前沿材料的四大领域之一。此外,“十三五”新能源汽车重点专项,也将石墨烯等新材料列为重点发展领域。

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石墨烯薄膜

    业界认为,有了石墨烯,人类就可以开发出下一代能源解决方案,如太阳能电池或者几分钟即可充满电的手机电池。一些人甚至大胆猜测,将来全新设计的3D打印超级电容可以用来创建当前很难制造、甚至用其他方法不可能实现的独特电子产品,比如完全定制的智能手机或者折叠装置等,其性能也会达到前所未有的水平。 

21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯
全球首批石墨烯手机已于2015年年初上市

    不仅在能源储存系统,石墨烯在检测食品毒素、环境污染、特定病毒和细菌等方面拥有独特的优势,例如,将石墨烯氧化物附着在特定毒素的类似于蛋白质的结构上可产生一个增强信号,以便高敏感传感器检测到毒素,其检测能力相当于普通传感器的10倍。此外,石墨烯还能用于生物医疗领域,如药物传送、癌症治疗和生物传感等,石墨烯拥有许多独特的属性,如更大的表面积、生物适应性和化学稳定性,这使得石墨烯具有很大的研究潜力,并被寄予厚望。

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有学者大胆预测,石墨烯或许是医疗的下一次革命

    石墨烯新材料应用十分广泛,尤其是石墨烯增强金属结构材料在下一代飞机研制、航空发动机高温部件制造、未来高速飞行器研制等方面具有极高的应用价值。目前,C919、B777飞机机身、机翼等结构大量选用了含有石墨烯材料的铝合金,有助于进一步降低机身结构的重量、提高使用寿命,大幅降低制造成本。

21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯
石墨烯在飞机领域的应用

    有消息称,西班牙Graphenano与其中国合作伙伴正泰公司最近也推出石墨烯材料的聚合物电池,据说,这种电池允许电动车连续行驶800公里,可在几分钟内充电,电池也可以用作家庭使用,汽车行业,甚至包括自行车、无人驾驶飞机、心脏起搏器等。公司希望这种电池可在2016年年中实现原型,年底实现商用蓄电池组运行。

21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯

21世纪的潜力股:3D打印耗材之石墨烯
石墨烯材料的聚合物电池以更小的体积提供更强的性能

    除了以上这些,媒体铺天盖地的报道给我们的印象是,石墨烯改变的还有我们生活的方方面面:如用来生产防水膜亿解决全球水资源短缺问题;取代当前电子产品中的硅,以更小的体积提供更强的性能。

5过度炒作反而是一种伤害

●过度炒作反而是一种伤害

    笔者发现,除了不能吃、不能喝、不耐热之外,似乎石墨烯是个全能儿,以前展会上我们遇见过一些零售的石墨烯内衣、石墨烯护腰,这简直在降低石墨烯高大上的形象。在中国,人们已经可以买到各种各样的石墨烯产品。新三板上市公司圣泉集团已经在市场推出了石墨烯袜子和内衣。该公司宣称,他们在产品中添加了生物质石墨烯“内暖”纤维,这是一种全新的智能多功能复合纤维,具有激活免疫细胞、防护紫外线、改善微循环、抗菌抑菌、增温增阳等特性,还可以除臭。

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用生物质石墨烯内暖纤维制成的衣服

    目前国内石墨烯市场十分“火热”,但“火热”的背后也应该看到不足,有的企业直接将石墨烯当作宣传、销售的噱头。现在太多拿着石墨烯应用炒概念的,要么是借用石墨烯拉升股票,要么是借用石墨烯概念来给自己的产品吹嘘,这些都不是真正科学意义上的石墨烯。

    从应用的角度上来讲,石墨烯目前还在讲故事阶段,发展程度只能说是符合预期,而且在中国,产学研结合度更是低于预期。清华大学教授王志华更是在公开场合表态:“石墨烯用于IC(自发明集成电路)业,五年内都是一句空话。”要知道,过度的炒作反而是一种伤害。

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很多企业借用石墨烯概念股拉升股票

    有不少科研人员指出,石墨烯作为一种新材料,真正走向市场,过程“前景光明,道路曲折”。首先是受限于材料生产,要实现石墨烯商业化,需要生产出低成本、高品质的石墨烯成品。但是,制作出这种石墨烯并非易事,技术层面上还有很多挑战,批量化和大尺寸生产都还没能克服。

    目前,我国石墨烯产业发展目前还存在生产成本高、产品品质待提升、上下游互动不够等问题。石墨烯行业缺乏统一的国家标准、行业标准和企业标准,对石墨烯的质量、制备工艺、检测设备和方法等,都没有科学统一的说法。中国的石墨烯产业何去何从,不仅需要国家层面的引导,更需要足够的时间和足够的耐心。

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