深度石墨烯的详细描述及其在汽车领域的应用
深度石墨烯的详细描述及其在汽车领域的应用
石墨烯是一种由碳原子大π键连接而成的新型蜂窝二维碳板材料，属于C的同素异形体，2004年由曼彻斯特的Kostya Novoselov和Andre Geim用胶带连续机械剥除石墨，发现石墨烯结构中的每个碳原子都有一个无束缚电子，通过sp2杂化与周围的碳原子形成规则的六边形。该结构稳定，具有完美的二维晶体结构，是一种厚度最薄、强度最高、电阻率最小的新型材料。
石墨烯材料分为单层石墨烯、双层石墨烯、单层石墨烯（3-10层）和多层石墨烯（10层以上），石墨烯一般呈层状存在。石墨烯以某种形式变形，形成球形、管状和多层石墨烯，如我们所知，石墨烯演化成富勒烯（C60）、碳纳米管和石墨。
1。最薄的材料（高透明度）：单层石墨烯的厚度只有一个碳原子，大约是头发丝直径的1-20万倍，因此单层石墨烯几乎是透明的，肉眼看不见，透光率高达97.7%。
2。最硬的材料（高强度和高模量）：其拉伸强度和弹性模量分别达到125gpa和1.1tpa，钢的强度由石墨烯的厚度估算。石墨烯材料的理想强度是钢的100倍左右，硬度也比金刚石好，硬度也比金刚石硬，同时还具有良好的柔韧性和任意弯曲性，在力学性能上，石墨烯材料实现了高强度、高硬度和柔韧性的完美统一。
三。最具导电性的材料（低电阻率）：石墨烯中的每个碳原子都是SP2杂化的，并贡献一个P轨道电子形成一个大的π键。π电子能自由移动，使石墨烯具有良好的导电性，石墨烯中的电子输运不易散射，迁移率可达2×105cm2/（V.S），约为硅中迁移率的140倍。
4。导热性最高的材料（高热传导率）：单层石墨烯的导热率高达5300W/m.k，而工业上广泛使用的散热金属材料铜的导热率仅为400Wm.k，但随着石墨烯层的增加，导热率逐渐降低。
石墨烯的生产方法有很多，大致可分为物理法和化学法。物理法一般是机械剥离法，这是石墨烯首次发现时使用的原始方法。但这种方法不能实现大规模生产，随后出现了一系列化学方法。化学方法一般是包括气相沉积法、外延生长法和氧化还原法。
1。机械剥离法：最原始的合成方法，用胶带粘在石墨片的两面反复剥离，得到石墨烯。虽然这种方法简单，但得到的石墨烯在几微米到几十微米的范围内。
2。化学气相沉积：将有机气体吸附在具有催化活性的金属或非金属表面，加热有机气体脱氢，在基体表面形成石墨烯。
三。外延生长：在SiC晶体结构上进行晶格匹配生长石墨烯晶体的方法，其原理是在超低压、高真空、高温下加热单晶SiC，除去硅，将碳原子还原成石墨烯片，形成石墨烯片。
4。氧化还原法：将石墨氧化，改变石墨层的自由电子对，改变石墨表面含氧官能团，提高石墨的亲水性，然后将石墨氧化物在水中剥离，形成均匀稳定的氧化石墨胶体，最后用化学发光法将石墨氧化物还原成石墨烯。化学还原、热还原和催化还原。
近年来，石墨烯工业的发展引起了全世界的关注，但总体应用规模相对较小，需要形成大规模市场的需求，目前石墨烯的大部分应用还处于实验室阶段。虽然在实验室效果很好，但如果进行大规模生产，产品的稳定性仍有待观察，石墨烯下游应用尚未普及，国内外部分石墨烯生产研究机构及其供应的下游产品如下。
石墨烯是一种理想的汽车轻量化材料，其强度是钢的100倍，强度和硬度较高，但密度较低，质量较轻，作为增强相的石墨烯可用作汽车车身轻复合材料，利物浦布里格斯汽车公司已将石墨烯用于其品牌巴科诺单座跑车的车身已经通过了道路测试。
石墨烯复合材料不仅可以用作车身材料，还可以用于汽车零部件领域，如汽车轮胎，在汽车轮胎中添加石墨烯材料可以使轮胎更耐磨、更防刺穿，大大提高使用寿命，四川大学高分子材料工程国家重点实验室有着不可比拟的优势。世界上第一个石墨烯橡胶轮胎，李克强访问四川期间，总理也接见了这个轮胎。
石墨烯的导热系数高达5300W/m.k，通过将石墨烯与导热聚合物复合，可制得强度高、导热性好、导热性好、质量轻的复合材料，超二维石墨烯纳米结构可保证加热区热量均匀释放，并可用于汽车加热座椅材料。
石墨烯具有很高的化学稳定性、憎水性、耐酸碱化学腐蚀性，一些研究表明，石墨烯可以喷涂在钢表面，在海水中浸泡一个月而不生锈，而普通的高性能涂层只能持续几天，因为它具有很高的憎水性和独特的耐腐蚀性。结构上，石墨烯可用于汽车涂料领域，提高防腐效果。
在汽车燃油供给系统中，燃油以快速湍流的方式流动，会产生静电。燃料供给系统中使用的部件（包括油箱、油管接头、过滤器等）需要导电性来防止静电积聚，消除火花和爆炸危险，目前已成功地应用于汽车燃料供给系统中。石墨烯具有与碳纳米管相当的导电性，制备成本较低。可用于导电功能塑料，石墨烯基导电功能塑料也可用于汽车挡泥板、车门把手、镜盒等方面，以方便车身静电喷涂，与非导电PL相比，无需在静电喷涂前进行表面导电处理。滑稽动作。
动力电池是新能源汽车的核心，尽管电动汽车的大力推广，但短距离、长充电时间等缺点仍然阻碍着电动汽车的市场化，目前，锂离子动力电池、超级电容器和燃料电池是主要的储能装置。它们都要求电极材料具有大的比表面积、高的导电性和良好的电化学稳定性，为石墨烯的应用提供了广阔的空间。
用硅、锡等材料作电池负极时，一个很大的障碍是在充放电过程中体积膨胀率很高（高达400%），导致电极的粉碎或电池容量的快速衰减，这些涂有石墨烯的纳米材料可以解决体积膨胀问题。下图显示了石墨烯作为锂电极材料的几种应用：
超级电容器是一种新型的储能装置。与充电电池相比，它可以在无限电流下充电和放电。因此，它可以在几秒钟内完成充放电过程。同时，石墨烯具有功率大、寿命长的特点，分散的石墨烯具有很大的储能活性，因为石墨烯的理论比表面积为2 630 m2/g，因此石墨烯复合材料可用于超级电容器领域。
在低温燃料电池的应用中，铂、钯等贵金属作为阳极氧化和阴极还原的催化剂，大大提高了燃料电池的成本，一方面，石墨烯中大的π键与金属的相互作用可以有效地阻止金属粒子的迁移和聚集。提高催化剂的稳定性，另一方面，导电性好的石墨烯也能降低电池的内阻，提高电池的导电性。
石墨烯具有许多其它材料在许多方面无法比拟的优越性能。从理论上讲，石墨烯在工业上的应用是合理的，但作为一种具有特殊晶体结构的碳材料，石墨烯表面是疏水的，缺少活性基团，没有有效的化学键，与其它物质的相容性差，阻碍了石墨烯在材料领域的应用，如何解决这一问题。这些问题，石墨烯的工业应用还有很长的路要走。
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