石墨烯發(fā)展前景及其防雷接地應(yīng)用

石墨烯發(fā)展前景及其防雷接地應(yīng)用

石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的惟一存在的二維自由態(tài)原子晶體，是構(gòu)建零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等的基本結(jié)構(gòu)單元，具有很多奇異的電子及機(jī)械性能。因此吸引了化學(xué)、材料等領(lǐng)域研究者的高度關(guān)注。

1、石墨烯的結(jié)構(gòu)

石墨烯，英文名Graphene，是碳元素的一種單質(zhì)形態(tài)。碳是自然界里最重要的元素之一有著獨(dú)特的性質(zhì)，是生命的基礎(chǔ)。純碳能以截然不同的形式存在，可以是堅(jiān)硬的鉆石，也可以是柔軟的石墨。石墨烯是碳的另一張奇妙臉孔，具有由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)。它像一張單層的網(wǎng)，每一個(gè)網(wǎng)格都是一個(gè)完美的六邊形，每一個(gè)繩結(jié)是一個(gè)碳原子。這張網(wǎng)只有一個(gè)原子那么厚，可以說(shuō)沒(méi)有高度、只有長(zhǎng)寬，是二維結(jié)構(gòu)的碳。人類(lèi)已知的最薄材料，其厚度只有0.335納米，由于它包含烯類(lèi)物質(zhì)的基本特征--碳原子之間的雙鍵，所以稱(chēng)為石墨烯。石墨烯雖呈二維結(jié)構(gòu)，但它并不是平坦的，而是波狀的(見(jiàn)圖1)。在一個(gè)兩層體系中，這種起伏不是很明顯，在多層體系中會(huì)完全消失。

2、石墨烯與碳納米管、富勒烯、石墨的聯(lián)系和區(qū)別

碳元素的最大特點(diǎn)之一是存在著眾多同素異形體，如人們熟悉的金剛石和石墨，以及前些年發(fā)現(xiàn)的以C60為代表的富勒烯和碳納米管等。

石墨烯的出現(xiàn)，使碳的晶體結(jié)構(gòu)形成了包括富勒烯、碳納米管、石墨烯、金剛石和石墨在內(nèi)的完整體系，最終建立了從零維到三維的碳范式(零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯、三維石墨或金剛石)。

令人驚奇的是，這些碳材料的特性幾乎可涵蓋地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)甚至相對(duì)立的兩種性質(zhì)，如從最硬到極軟、全吸光到全透光、絕緣體到半導(dǎo)體到導(dǎo)體、絕熱到良導(dǎo)熱、高臨界度的超導(dǎo)體等。為什么碳元素會(huì)是如此的神奇呢?答案就在其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)上，碳元素是第6號(hào)元素，其原子最外層有4個(gè)價(jià)電子，C原子除了可以sp³雜化軌道形成單鍵外，還能以sp2及 sp雜化軌道形成穩(wěn)定的雙鍵和叁鍵，可以和各種原子形成共價(jià)鍵，從而形成許許多多結(jié)構(gòu)和性質(zhì)完全不同的物質(zhì)。

富勒烯是在1985年，由美國(guó)德克薩斯洲羅斯大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，因?yàn)檫@一偉大的發(fā)現(xiàn)，1996年，富勒烯的發(fā)現(xiàn)者獲得了諾貝爾獎(jiǎng)；多壁碳納米管是1991年日本的NEC公司基礎(chǔ)研究室的電鏡專(zhuān)家飯島澄男博士在真空電弧蒸發(fā)石墨電極制備C60的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中意外發(fā)現(xiàn)的一維碳材料，1993年，飯島澄男博士等又發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管；相比而言，2004 年，由海姆發(fā)現(xiàn)的石墨烯來(lái)說(shuō)是最晚的，雖然如此，石墨，碳納米管、富勒烯都可以看作由石墨烯轉(zhuǎn)化來(lái)的，因此石墨烯可以看作是其他三種材料的母體。

石墨烯、富勒烯、碳納米管以及石墨都是碳的同素異形體。由圖2可以看出，石墨是由多層的石墨烯堆積而成的，石墨的層與層之間是由范德華力結(jié)合的，而同一網(wǎng)層中的碳原子是由特殊的單鍵結(jié)合，因此層與層間的距離比同一網(wǎng)層中碳原子的間距大，石墨的層與層之間是較松散的結(jié)構(gòu)。碳納米管的主體管部分可以看作是由一部分石墨烯片層卷曲而成，兩端各由半個(gè)富勒烯封口。碳納米管中的碳原子除了sp2雜化外，還有部分的sp。雜化，這樣才能呈現(xiàn)出彎曲的管狀結(jié)構(gòu)。碳納米管有著奇特的導(dǎo)電性質(zhì)，它會(huì)因石墨烯形成碳納米管時(shí)的卷曲方式不同而呈現(xiàn)出金屬性和半導(dǎo)體性。另外，正是由于碳納米管與石墨烯如此親近的關(guān)系，碳納米管的各種性質(zhì)，石墨烯大都同樣具有。富勒烯是由石墨烯上的一部分彎曲成足球狀得到的，它是由60個(gè)碳原子以20個(gè)6元環(huán)和12個(gè)5元環(huán)連接而成的具有30個(gè)碳碳雙鍵的足球狀空心對(duì)稱(chēng)分子，分子剩余的電子在球狀分子中形成大π鍵，因此富勒烯具有芳香性。

3、石墨烯的特性

石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的晶體學(xué)質(zhì)量，石墨烯具有豐富而新奇的物理現(xiàn)象。

3.1特殊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，就能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)，首先讓凝聚態(tài)物理學(xué)家們驚喜不已。在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在，所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)物理界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無(wú)法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是，現(xiàn)在單層石墨烯已被剝離出來(lái)了。石墨烯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可能歸結(jié)于石墨烯在納米級(jí)別上的微觀扭曲。石墨烯在原子尺度上結(jié)構(gòu)非常特殊，必須用相對(duì)論量子物理學(xué)才能描繪。石墨烯還表現(xiàn)出了異常的整數(shù)量子霍爾行為。其霍爾電導(dǎo)=2e²/h，6e⁶/h，1Oe²/h…為量子電導(dǎo)-的奇數(shù)倍，且可以在室溫下觀測(cè)到。這個(gè)行為已被科學(xué)家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對(duì)論量子力學(xué)，沒(méi)有靜質(zhì)量”。

3.2優(yōu)異的導(dǎo)電性

石墨烯穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周?chē)荚影l(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子(或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱(chēng)為“載荷子”)性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。石墨烯可以吸收大約 2.3%的可見(jiàn)光，而這正是石墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)。

3.3 機(jī)械特性

石墨烯是人類(lèi)已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)上比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家對(duì)石墨烯的機(jī)械特性進(jìn)行了全面的研究。在試驗(yàn)過(guò)程中，他們選取了一些之間粒徑為10-20微米的石墨烯微粒作為研究對(duì)象。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了-一個(gè)表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1-1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對(duì)這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測(cè)試它們的承受能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1米長(zhǎng)的石墨烯斷裂。換句話說(shuō)，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。

3.4電子的相互作用

石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)的完整性，保證了電子能在石墨烯平面上暢通無(wú)阻的遷移，其遷移速率為傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅材料的數(shù)十至上百倍。這一優(yōu)勢(shì)使得石墨烯很有可能取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基礎(chǔ)材料，可廣泛應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。目前，科學(xué)家們已經(jīng)研制出了石墨烯晶體管的原型，并且樂(lè)觀地預(yù)計(jì)不久就會(huì)出現(xiàn)全由石墨烯構(gòu)成的全碳電路，并能廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。

此外，二維石墨烯材料中的電子行為與三維材料截然不同，無(wú)法用傳統(tǒng)的量子力學(xué)加以解釋?zhuān)仨氝\(yùn)用更為復(fù)雜的相對(duì)論量子力學(xué)來(lái)闡釋。因此，石墨烯為相對(duì)論量子力學(xué)的研究提供了很好的平臺(tái)，而在這之前，科學(xué)家們只能在高能宇宙射線或高能加速器中對(duì)該理論進(jìn)行驗(yàn)證，如今終于可以在普通環(huán)境下輕松開(kāi)展研究了。

4、石墨烯的應(yīng)用前景

地球上很容易找到石墨原料，將擁有眾多令人神往的發(fā)展前景。例如，石墨烯作為目前已知的力學(xué)強(qiáng)度最高的材料，并有可能作為添加劑廣泛應(yīng)用于新型高強(qiáng)度復(fù)合材料之中；石墨烯良好的導(dǎo)電性及其對(duì)光的高透過(guò)性又讓它在透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，而這類(lèi)薄膜在液晶顯示以及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。另外，石墨烯在高靈敏度傳感器和商性能儲(chǔ)能器件方面，也已經(jīng)展示出誘人的應(yīng)用前景?？梢哉f(shuō)，石墨烯的出現(xiàn)，不僅給科學(xué)家們提供了一個(gè)充滿魅力與無(wú)限可能的研究對(duì)象，更讓我們對(duì)其充滿了期待。

石墨烯，作為電導(dǎo)體，它和銅有著一樣出色的導(dǎo)電性；作為熱導(dǎo)體，它比目前任何其他材料的導(dǎo)熱效果都好。利用石墨烯，科學(xué)家能夠研發(fā)一系列具有特殊性質(zhì)的新材料。比如，石墨烯晶體管的傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前的硅晶體管，因此有希望應(yīng)用于全新超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)；石墨烯還可以用于制造觸摸屏、發(fā)光板，甚至太陽(yáng)能電池。如果和其他材料混合，石墨烯還可用于制造更耐熱、更結(jié)實(shí)的電導(dǎo)體，從而使新材料更薄、更輕、更富有彈性。海姆和諾沃肖洛夫的研究成果不僅帶來(lái)一場(chǎng)電子材料的革命，而且還將極大促進(jìn)汽車(chē)、飛機(jī)和航天工業(yè)的發(fā)展。因此其應(yīng)用前景十分廣闊。

高純度導(dǎo)電石墨憑著其出色的導(dǎo)電性和高耐熱性在浪涌保護(hù)器上的應(yīng)用已經(jīng)很普及，開(kāi)關(guān)型一級(jí)電源浪涌保護(hù)器防雷器最重要的元器件是石墨放電間隙。石墨放電間隙浪涌保護(hù)器采用了壓降滅弧原理，多個(gè)間隙的電弧電壓是能夠減少續(xù)流，并可以在間隙中消除等離子體。石墨放電間隙浪涌保護(hù)器能夠在工頻電壓過(guò)零前切斷續(xù)流。由此可見(jiàn)采用石墨放電間隙的浪涌保護(hù)器具有良好的電壓保護(hù)水平，并能夠增加浪涌保護(hù)器的穩(wěn)定性和使用壽命。在開(kāi)關(guān)型浪涌保護(hù)器中采用石墨放電間隙，能夠有效降低電壓保護(hù)水平，起到很好的防雷作用。

在接地降阻領(lǐng)域?qū)щ娛珣?yīng)用更為廣泛，其純度及含量比率是降阻材料降阻性能的決定性因素。如降阻劑、接地模塊、柔性石墨基接地體、膠漿型接地體等都廣泛應(yīng)用了導(dǎo)電石墨的優(yōu)良特性。而石墨烯導(dǎo)電復(fù)合劑是針對(duì)小粒徑需求開(kāi)發(fā)的水性石墨烯漿料，主要由 1-3 層石墨烯和去離子水組成，且石墨烯的單層率達(dá) 95%以上。其具有團(tuán)聚少、分散性好、導(dǎo)電性?xún)?yōu)異、阻隔效果好等特點(diǎn)，可滿足抗靜電/導(dǎo)電涂料、防腐涂料、導(dǎo)電油墨和其它水性復(fù)合體系的應(yīng)用需求，柔性復(fù)合接地體具有良好的降阻性能便是運(yùn)用了石墨烯導(dǎo)電復(fù)合劑，提高接地體在導(dǎo)電、耐腐蝕及耐高溫的關(guān)聯(lián)性。