石墨烯商用的（de）可能性有多大？下麵（miàn）和大家一同來探討!石墨烯作為工業（yè）材料的下一階段，將來自商業（yè）部門和石墨烯生產商。他們將共同開展合作項目，以解（jiě）決現（xiàn）實應（yīng）用中的具體（tǐ）問（wèn）題，很難確定未來（lái）有可能出現另（lìng）一種（zhǒng）新材（cái）料（liào）以如此多種有益的方式用於如此廣（guǎng）的範圍中。
 

      盡管二維材料和石墨烯的研究已有很長的曆史，可追（zhuī）溯到1947年（nián）PR Wallace關（guān）於石墨的物理帶（dài）隙的論文和Blakely在上世紀60年代和70年代的研究，但2004年發現石墨烯以及隨後2010年（nián）獲得的諾貝爾物理（lǐ）學獎，才使世人對石墨烯材料產生（shēng）了超越現實的期望。
 

      早期對石墨烯材料特性（最薄、最輕、最堅固、最導電和最導熱（rè）等）的最高級描述引發了石墨烯行（háng）業的炒作。當人們談論建（jiàn）造“石墨烯太空電梯”，或者維珍航空（kōng）CEO Richard Branson先（xiān）生在2017年3月對《每（měi）日電訊報》說“如果繼續研發10年（nián）的話，希（xī）望石墨烯（xī）可以成為未來飛機的主要材料。它們的重量將比目前的飛機輕（qīng）得多，這又將在燃油消耗方麵有所作為”，這種對石墨烯的炒作或公眾預（yù）期達（dá）到頂點。
 

      雖然通常用於描述石墨烯最高級性能在原子級別上是正確的（作為六角形蜂窩晶格中純淨、無缺陷的sp2碳鍵原子的單一平麵），但宏觀世（shì）界中，石墨（mò）烯應用方麵的表現有所不同。

      一、線路圖和彎路

      在過去的15年中，石墨烯的大部分研究和工作已經（jīng）在大學實驗室和（hé）政府投資計劃下進行，最終目的是開發商業（yè）應用。甚至有精心製作的“路線圖”都試圖預測和影響這種令（lìng）人印象深刻的新（xīn）材料的商（shāng）業發展方（fāng）向。與“市場拉（lā）動”相反，這些（xiē）努力中的許多可以被描（miáo）述為“技術推動”方法。
 

      石墨烯商業應用的障礙很多。這些包括材料本（běn）身的（de）一些固有缺陷（xiàn），例如缺少帶隙，使其不太（tài）適合電子應用。眾所周知，將石墨烯添加到（dào）另一（yī）種（zhǒng）材料中時，要獲得適當的分散性也很困（kùn）難。其他障礙還包括沒有（yǒu）“標準等級”的石墨烯。為（wéi）了使（shǐ）潛在客戶了解所接收（shōu）的（de）材料是否包含石墨烯，以及包含什麽樣的石墨烯，他們需要使用昂貴且難（nán）以執行的測（cè）試，例如X射線光電（diàn）子能譜（pǔ）、拉曼光譜、透射電子顯微鏡、BET測試以及其他方法對材料進行全麵（miàn）表征。
 

      盡管存在這些障礙，但石墨烯材料的商業化已發生了巨大的變化，從主要是（shì）基於大學（xué）的實（shí）驗室規模的實驗性製備過渡到了目前多家企業能（néng）夠每年生產噸級石墨烯材料，這（zhè）些公司主要（yào）分布在北美（měi），歐洲（zhōu）和亞太地區。石墨烯和納米技術（shù）的資深（shēn）專家Joe Eldridge舉例說明了當前的進展：“我們真的開始看到在重要的工業應用中出現了可行的石墨烯應（yīng）用產品，而不是具有有（yǒu）限實際利益（yì）的‘利基市場’或噱頭（tóu）產品（pǐn）。有明顯跡象表明市場正在成熟，主要公司對（duì）石墨烯的使用正在加（jiā）速。例如（rú），佛羅裏達州的Garmor Inc.剛剛通過了兩（liǎng）次製造審核，並於最近（2019年第三季度）與多個（gè）戰略合作夥伴簽署了多年的供應和製造協議。這些早期（qī）采用者（客戶）是耐腐蝕和（hé）耐磨（mó）塗層（céng）的市場領導者。至關重要的（de）是，這些協議每（měi）個都是針對幾噸（dūn）石墨（mò）烯（xī）的，這些協議並不是終端客戶“幫忙”。經過（guò）多個客戶的仔細審核過程後，產品性能令人印象深刻，足以表現出自己的優（yōu）點。
 

      James Baker負責（zé）協（xié）調曼徹斯特大學（xué）的整體商業化工作，包（bāo）括最近開放（fàng）的（de）石墨烯工程與（yǔ）創新中（zhōng）心GEIC。他具有獨特的見解（jiě），與曼徹（chè）斯特大學的學者以及希望在其產品和應用中使用石墨烯的主（zhǔ）要商業公司緊密合（hé）作。他說（shuō）：“我們已經看（kàn）到石墨烯如何顯（xiǎn）著增強其他材（cái）料和應用，特別是在複合材（cái）料、塑料、儲能、傳感器和塗料領（lǐng）域。我們相信，石墨（mò）烯的商業化將在未來12~18個月內達到關鍵的（de）轉折點。”此類聲明在該領域正變得（dé）越來越普遍，並證明了在工業規模下迅速成熟的石墨烯材料（liào）商業市場。
 

      二、石墨（mò）烯材料的“家族”

      從商業和工業材料的角度講石墨烯時，人們實際上是在談（tán）論從（cóng）單層或“純”單層碳延伸到多層石墨烯納米片（piàn）（GNP）的（de）一係列材料。它包括氧化石墨烯（GO）和（hé）還原的氧化石墨烯（rGO），包（bāo）括在基板上呈單層材料形式的石墨烯材料，包括漿料、溶液或粉末狀態的（de）GNP/GO。所有（yǒu）這些形式的（de）材料在當今全球商業（yè）市場中都以“石墨烯”的（de）形式提供。
 

      這些定義有一個幾乎無限（xiàn）範圍內的材料特性、行為和物理、化學（xué）性質，包括層數（shù）（從1到10個（gè）原子層或更多），橫向尺寸（cùn）或晶體尺寸（從亞微米到數十微米），雜質（微量金屬（shǔ）、灰分、硫、氧等（děng））的種（zhǒng）類和數量。每一個參數都可能影響石墨烯在特定應用案例中的表現。
 

      在商業（yè）應用和生產方法方麵，可以將市場大（dà）致分為兩個截然不同的部分：“自下而（ér）上”生產（通常（cháng）使用化學氣相沉積（CVD）工藝生產石墨烯）和“自上而下”生產（通常使用石墨作為原料，然後使用化學、電化學、物理剝離、插層等中的一種或多種（zhǒng）方法分離碳層）。
 

      這些方法不僅有很（hěn）大的不同，而且所生產的石墨（mò）烯材料適合非常不（bú）同的市場。CVD型材料（單碳層）更適合於電子和傳感器應用，而“塊狀”或多層材料更適合於塑料、複合材料、橡膠、水泥、塗料和其他需要大量材料的應用。這兩（liǎng）類石墨烯材料的價格也存在巨大差異，CVD石墨烯（xī）材料的成本是塊狀石墨烯材料的許多（duō）倍，因此單層（céng）材料通常以平（píng）方厘米為單位定價，而塊狀材（cái）料以克、千克或磅（páng）為（wéi）單位定價。

      三、石墨烯，一種萬能的材料

      重要的（de）是，不要將石墨烯視為具有最高性能的（de）獨立材料，而應將其（qí）視為具有獨特能力的納（nà）米材料添加（jiā）劑，該添加劑（jì）能夠顯著增強其他材料（liào）的性能。人們已經在整（zhěng）個市售石墨烯材料（liào）範圍內確定了40多個主要應（yīng）用領域，石墨烯可以在其中產生重大影響。最發達（dá）的應用領域之一是在塑（sù）料和複合材料中（zhōng）添加石墨烯（xī），以增加強度、導電性或（huò）改善熱傳遞。通過添加極少（shǎo）量（liàng）的石墨烯塊狀材料（按重量計遠低於1％），某些塑料和複合材料的強度可以提高30%~40％或更多。
 

      2019年3月，福特汽（qì）車公司宣布（bù）經（jīng）過3年的研究和測試，將石墨烯增強（qiáng）的聚氨酯（PU）零（líng）件放入其兩款（kuǎn）銷量最高的量產車（F150皮卡（kǎ）車和野馬車）中（zhōng），最（zuì）初的（de）目標是改善發動機艙中的熱量管理，通過添加少（shǎo）量美（měi）國XG Sciences提供的石墨烯，增強型PU部件的傳熱（rè）性能提高（gāo）了30％。出乎意料的
是，這種新材料還使強度提高了20％，振動和噪音降（jiàng）低了17％，促使福特考慮（lǜ）在其他地方可以使用（yòng）石墨烯增強材料來改（gǎi）善車輛的性能和舒適性（xìng）。
 

      在另一種非（fēi）常不同（tóng）的應用中，NextGen（澳大利亞的采礦設備供應商）在其一（yī）次性的采礦鏟鬥襯（chèn）裏中使用了由First Graphene提（tí）供的石墨烯增強（qiáng）型PU材料（liào），這減少了更換周（zhōu）期時間，並且將材料減少了約1/3，因為增強了材料的堅（jiān）固性。
 

      多樣性也（yě）反映在生（shēng）產方法的範圍（wéi）內。NTherma是總部位於（yú）加利福尼亞的供應商，實際上首先生產碳納米管（CNT），然（rán）後“解壓縮”它們以形成特定長度的石墨烯納米帶。然後，可以進一（yī）步處理（lǐ）該材料，以創建很少的GNP。其材料已被用於（yú）改（gǎi）善標準機（jī）油的潤滑性（僅作為一（yī）種（zhǒng）樣品應用），這是石墨烯的另（lìng）一個獨（dú）特市場。另一個裏程碑是，總部位於（yú）英國的Briggs Automotive Company（BAC）最近推出了其Mono R單座超級跑車，這是世界上第一款將石墨烯增（zēng）強碳纖維完全結（jié）合到每個車身麵板中的量產汽車。這種方法增強了纖維（wéi）的結構（gòu）特性，從而使麵板更堅固（gù）、更輕，同時改善了機械和熱性能。該成（chéng）就（jiù）是Haydale Composite Solutions（提供增強的石墨烯材料）和Pentaxia Composites合作的結（jié）果。BAC還（hái）與全球科學公司DSM（荷蘭海爾倫）合作，首次在Mono R上使用增材（cái）製（zhì）造（zào）。

      四、增材製造和石墨烯

      石墨烯已在多種（zhǒng）應用中（zhōng）證明了其多功能性，這些應用還利用了相對新的增材製（zhì）造技術（通常（cháng）稱為3D打印）。與傳統的機加工或模製零件相比，在（zài）某些情況下3D打印材料難以克服強度不（bú）足的問題。通過添加石墨烯，許多3D打印材料可以提高其強度特性。在最近的例子中，全球基（jī）礎設施服務公司Aecom正在開發英國首批由石墨烯增強聚合物製成的3D打印商業產品之一（yī）。該公司的CNCTArch旨在降低與在傳輸網絡上安裝數字（zì）信號係統相關的成本。Aecom與（yǔ）英國（guó）工程公司Scaled合作開發了詳細的設計（jì），並使（shǐ）用（yòng）由英國先進工程材料（liào）集團Versarien提供的新型石墨烯增強聚（jù）合物印刷CNCTArch。

       五、石墨烯測試和（hé）檢驗

      在北美、歐（ōu）洲和澳大（dà）利亞，有近300家公司（sī）被石墨烯委（wěi）員會（huì）認定和追蹤為石墨烯生產（chǎn）商。此（cǐ）外，僅（jǐn）在中國注（zhù）冊（cè）的與（yǔ）石墨烯相關（guān）的公司就有6000多家。
 

      在這（zhè）種環境下，石墨烯行業沒有標準（zhǔn）化（huà）等級及（jí）參考材料。在材料（liào）等級和價格方麵，市場也嚴重缺乏透明度（dù）。這使得（dé）潛在的石墨烯使用（yòng）者很難確定合適的（de）商業供應商。
 

      因此，最近（jìn）啟動了經過檢驗的石墨烯生產商計劃，該計劃包括現場檢（jiǎn）查石墨（mò）烯生產商的設施，包括對健康（kāng），安全和質量控製流程的審查。此外（wài），從生產流中抽取材料的隨機樣本，然（rán）後由世界（jiè）一（yī）流的材料實驗室（例如英國國家物理（lǐ）實驗（yàn）室）進行全麵表征。該計劃的目的是為石墨烯生產商提供急需的獨（dú）立第三方評估。商業（yè）市場以前無法獲得的透明度對於最終用戶、客戶和投資者而言具有很高的價值。
 

      隨著石墨烯的不斷發展和成熟，成為一種真正的工業規模材料，它有可能破（pò）壞並顯著改（gǎi）善數十個重要市場，從儲能到醫療（liáo）保健，從加強基礎設施到突破傳感障（zhàng）礙（ài），以及介於兩者（zhě）之（zhī）間。正如已經確定的40多（duō）個主要應用領域所證明的那樣，很少有石墨烯沒有表現出改善性能的（de）潛力（強度和（hé）韌性（xìng）、電導率、熱傳遞、輕量化、增加的能量密度等）。
 

      石墨烯提供了（le）機會使用碳（tàn），碳本身不僅具有可持續性，而且還通過減少能源需求和排放，使材料使用壽命更長（zhǎng），提高了（le）可回收（shōu）性，從環境中清除毒素等方式（shì），使其他行業更具（jù）可持續性。
 

      即使石墨烯（xī）研（yán）究人員和學者群體不斷地突破人們（men）對這種（zhǒng）驚人的、剛被發現才15年的材料了解（jiě）的界限，但相信，石墨烯作為工（gōng）業材料（liào）的下一階段將（jiāng）來自商業部門和石墨烯生產商，他們將共（gòng）同開（kāi）展合作項目以解決現實應（yīng）用中的具體問題，很難確定未來有可能出現另一種新材料以如此多種有益的方式用於如此廣（guǎng）的範圍（wéi）中（zhōng）。