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当前,新材料发展日新月异,石墨烯已成为新材料科学领域最为耀眼的一颗新星。作为最具颠覆性的新材料之一,其优异的性能在电子、新能源、高端制造、医疗等领域展开多种研究和应用。

何为石墨烯?石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。自 2004 年英国曼彻斯特大学科学家安德烈 . 海姆和康斯坦丁 . 诺沃肖洛夫从石墨中剥离出了石墨烯,打破了理论物理学界半个世纪以来关于石墨烯无法稳定存在的结论。石墨烯独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能和较高的比表面积,使其一经发现便受到人们的广泛关注,被誉为“黑金”“改变 21世纪的神奇材料”“万能材料”。石墨烯技术的开发研究是材料科学领域中的热点前沿,目前美国、英国、中国、日本和韩国等国家的产业化开发处于相对前列,全球范围内都开展了相关的研究。

众所周知,材料腐蚀无法完全避免,而且是一个很严重的全球性问题。腐蚀危害遍及日常生活和几乎所有的行业,据统计,全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约 7000亿 -10000 亿美元,约占国家经济总量的 3%-4%,在热带、海洋的环境中材料的腐蚀情况更加严重。

一般防腐方法只能在一定时期内保持材料不被腐蚀,需定期维护,具有局限性。在一些特殊微电子领域,超薄的防腐涂层更有利于产品的使用;在恶劣腐蚀环境中,重防腐涂料已成为不可替代的防腐途径。

如何长久地保持材料不被腐蚀呢?近些年来,许多新型防腐涂料应运而生,但效果不尽如意。石墨烯本身具有的一些超强性能使其在防腐及重防腐领域中起到至关重要的作用。目前,石墨烯在金属防腐蚀、防污、导电以及其他功能涂料领域中的应用已取得初步成果,石墨烯重防腐涂料产品逐渐成为石墨烯迈向规模化应用的热点之一。

业界视点
石墨烯防腐研究进展之面面观

石墨烯不仅是最坚硬的材料,同时还是防腐涂料领域已知的最薄的一种,一根头发丝的直径约是 10 万层石墨烯叠加起来的厚度 , 它独特的二维结构使得它既可以在涂层中构建导电导热通道,又可以互相拼接形成严密的迷宫式物理屏障,隔绝腐蚀因子,将它涂在金属表面,可以保护金属不受腐蚀。石墨烯防腐涂料具有导电、导热、防腐、电磁屏蔽等多种功能,石墨烯微片可以增强涂层的附着力,使其涂层具有优良的耐磨和耐刮擦性能。具体优异性能如下。

石墨烯的小尺寸效应:石墨烯的小尺寸使得石墨烯可以填充到涂料的孔洞和缺陷中,在一定程度上阻止和延缓了小分子腐蚀介质浸入金属基体,增强了涂层的物理隔绝作用,增强了涂层的防腐性能。

石墨烯呈片状结构:是极其薄的片成结构,它可以在涂层中程程叠加,形成致密的物理隔绝层,小分子的腐蚀介质很难通过这层致密的隔绝成,所以掺加了石墨烯的防腐涂料有极强的物理隔绝作用。

石墨烯的防水性:石墨烯的表面效应使得石墨烯与水的接触角很大,对水的润湿性很差,水分子很难被石墨烯吸收,当环氧树脂其中加入了石墨烯后,石墨烯会把水分子阻挡在涂层外,使得水分子接触不到金属基体表面,从而降低了金属表面的腐蚀。

石墨烯有很强的导电作用:石墨烯的特殊结构使得石墨烯有快速的导电性,电子会通过石墨烯传递到金属涂层上,阴极电子不会直接发生在金属上,而是直接与涂层发生反应,这样就会减慢了氢氧化铁的生成,降低了对金属的溶解,也对金属进行了保护,这是利用了石墨烯的导电性对金属基体进行保护。

近些年来,石墨烯在防腐蚀领域的应用和发展日新月异。下面请随小编来一睹石墨烯的风采。

未来展望

作为新兴行业,当前石墨烯仍处于产业化初期,尚未完全实现石墨烯的规模化应用,对石墨烯产品最大的需求市场仍然是科研院校和少量生产厂商。由于下游需求未起,大部分石墨烯企业目前仍无法找到稳定的商业模式和盈利模式。阻碍石墨烯大规模商业化应用的难点在于两个方面:工艺上来看,如何批量化地制备大面积、稳定性好、高质量的石墨烯是难点之一,目前整个行业仍处于产品研发阶段,只有少数企业能够大规模制备高质量石墨烯,行业层面的不良率影响了下游的应用推广;销售层面上看,业内企业仍无法稳定获取利润,如何整合上下游产业链,即推广或销售将成为石墨烯产业发展的关键。

根据《< 中国制造 2025> 重点领域技术路线图》的要求,2020 年石墨烯需要形成百亿产业规模,2025 年整体产业规模突破千亿,这需要石墨烯产业在当前基础上“大跃进式”发展。在此背景下,石墨烯产业未来将有以下三大趋势:

随着石墨烯制备水平的发展和石墨烯应用技术水平的发展,石墨烯材料能够应用在更多的下游产品和领域中。预计到2024 年前后,石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体(CMOS)器件,在纳米电子器件,光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用;消费电子类应用将成石墨烯技术攻克主方向。

石墨烯制备水平和应用技术水平的发展是相辅相成的,以目前的发展水平看,电子元件领域的应用对石墨烯的质量和技术要求最高,也最难以实现,我们预计其应用在 10 年左右;石墨烯在消费电子类的应用主要需克服制备技术的难关,这也是目前石墨烯研究中最热点的方向,我们预计制备技术在未来 1-2 年内会有所突破;石墨烯的研究和产业化发展持续升温。从石墨烯专利领域分布来看,其应用技术研究布局热点包括:

石墨烯用作锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏、透明电极等。

在防腐性能方面,石墨烯涂料的防腐效果明显高于其他碳系材料填充的涂料,也有比其它商业化涂料具有更为突出的耐盐雾腐蚀性能。石墨烯材料除了在防腐涂料方面有着可观的应用前景以外,其在导电涂料、防污涂料、智能自修复涂料、抑菌涂料、风电涂料等领域也同样有着巨大的研究价值,研究工作也正如火如荼地进行着,未来石墨烯材料势必会在涂料行业发挥极大作用,推动高性能多功能涂料快速健康发展!