當前,新材料發展日新月異,石墨烯已成為新材料科學領域最為耀眼的一顆新星。作為最具顛覆性的新材料之一,其優異的性能在電子、新能源、高端制造、醫療等領域展開多種研究和應用。

何為石墨烯?石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。自 2004 年英國曼徹斯特大學科學家安德烈 . 海姆和康斯坦丁 . 諾沃肖洛夫從石墨中剝離出了石墨烯,打破了理論物理學界半個世紀以來關于石墨烯無法穩定存在的結論。石墨烯獨特的電學性能、力學性能、熱性能、光學性能和較高的比表面積,使其一經發現便受到人們的廣泛關注,被譽為“黑金”“改變 21世紀的神奇材料”“萬能材料”。石墨烯技術的開發研究是材料科學領域中的熱點前沿,目前美國、英國、中國、日本和韓國等國家的產業化開發處于相對前列,全球范圍內都開展了相關的研究。

眾所周知,材料腐蝕無法完全避免,而且是一個很嚴重的全球性問題。腐蝕危害遍及日常生活和幾乎所有的行業,據統計,全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經濟損失約 7000億 -10000 億美元,約占國家經濟總量的 3%-4%,在熱帶、海洋的環境中材料的腐蝕情況更加嚴重。

一般防腐方法只能在一定時期內保持材料不被腐蝕,需定期維護,具有局限性。在一些特殊微電子領域,超薄的防腐涂層更有利于產品的使用;在惡劣腐蝕環境中,重防腐涂料已成為不可替代的防腐途徑。

如何長久地保持材料不被腐蝕呢?近些年來,許多新型防腐涂料應運而生,但效果不盡如意。石墨烯本身具有的一些超強性能使其在防腐及重防腐領域中起到至關重要的作用。目前,石墨烯在金屬防腐蝕、防污、導電以及其他功能涂料領域中的應用已取得初步成果,石墨烯重防腐涂料產品逐漸成為石墨烯邁向規模化應用的熱點之一。

業界視點
石墨烯防腐研究進展之面面觀

石墨烯不僅是最堅硬的材料,同時還是防腐涂料領域已知的最薄的一種,一根頭發絲的直徑約是 10 萬層石墨烯疊加起來的厚度 , 它獨特的二維結構使得它既可以在涂層中構建導電導熱通道,又可以互相拼接形成嚴密的迷宮式物理屏障,隔絕腐蝕因子,將它涂在金屬表面,可以保護金屬不受腐蝕。石墨烯防腐涂料具有導電、導熱、防腐、電磁屏蔽等多種功能,石墨烯微片可以增強涂層的附著力,使其涂層具有優良的耐磨和耐刮擦性能。具體優異性能如下。

石墨烯的小尺寸效應: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緩了小分子腐蝕介質浸入金屬基體,增強了涂層的物理隔絕作用,增強了涂層的防腐性能。

石墨烯呈片狀結構:是極其薄的片成結構,它可以在涂層中程程疊加,形成致密的物理隔絕層,小分子的腐蝕介質很難通過這層致密的隔絕成,所以摻加了石墨烯的防腐涂料有極強的物理隔絕作用。

石墨烯的防水性:石墨烯的表面效應使得石墨烯與水的接觸角很大,對水的潤濕性很差,水分子很難被石墨烯吸收,當環氧樹脂其中加入了石墨烯后,石墨烯會把水分子阻擋在涂層外,使得水分子接觸不到金屬基體表面,從而降低了金屬表面的腐蝕。

石墨烯有很強的導電作用:石墨烯的特殊結構使得石墨烯有快速的導電性,電子會通過石墨烯傳遞到金屬涂層上,陰極電子不會直接發生在金屬上,而是直接與涂層發生反應,這樣就會減慢了氫氧化鐵的生成,降低了對金屬的溶解,也對金屬進行了保護,這是利用了石墨烯的導電性對金屬基體進行保護。

近些年來,石墨烯在防腐蝕領域的應用和發展日新月異。下面請隨小編來一睹石墨烯的風采。

未來展望

作為新興行業,當前石墨烯仍處于產業化初期,尚未完全實現石墨烯的規模化應用,對石墨烯產品最大的需求市場仍然是科研院校和少量生產廠商。由于下游需求未起,大部分石墨烯企業目前仍無法找到穩定的商業模式和盈利模式。阻礙石墨烯大規模商業化應用的難點在于兩個方面:工藝上來看,如何批量化地制備大面積、穩定性好、高質量的石墨烯是難點之一,目前整個行業仍處于產品研發階段,只有少數企業能夠大規模制備高質量石墨烯,行業層面的不良率影響了下游的應用推廣;銷售層面上看,業內企業仍無法穩定獲取利潤,如何整合上下游產業鏈,即推廣或銷售將成為石墨烯產業發展的關鍵。

根據《< 中國制造 2025> 重點領域技術路線圖》的要求,2020 年石墨烯需要形成百億產業規模,2025 年整體產業規模突破千億,這需要石墨烯產業在當前基礎上“大躍進式”發展。在此背景下,石墨烯產業未來將有以下三大趨勢:

隨著石墨烯制備水平的發展和石墨烯應用技術水平的發展,石墨烯材料能夠應用在更多的下游產品和領域中。預計到2024 年前后,石墨烯器件有望替代互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件,在納米電子器件,光電化學電池、超輕型飛機材料等研究領域得到應用;消費電子類應用將成石墨烯技術攻克主方向。

石墨烯制備水平和應用技術水平的發展是相輔相成的,以目前的發展水平看,電子元件領域的應用對石墨烯的質量和技術要求最高,也最難以實現,我們預計其應用在 10 年左右;石墨烯在消費電子類的應用主要需克服制備技術的難關,這也是目前石墨烯研究中最熱點的方向,我們預計制備技術在未來 1-2 年內會有所突破;石墨烯的研究和產業化發展持續升溫。從石墨烯專利領域分布來看,其應用技術研究布局熱點包括:

石墨烯用作鋰離子電池電極材料、太陽能電池電極材料、薄膜晶體管制備、傳感器、半導體器件、復合材料制備、透明顯示觸摸屏、透明電極等。

在防腐性能方面,石墨烯涂料的防腐效果明顯高于其他碳系材料填充的涂料,也有比其它商業化涂料具有更為突出的耐鹽霧腐蝕性能。石墨烯材料除了在防腐涂料方面有著可觀的應用前景以外,其在導電涂料、防污涂料、智能自修復涂料、抑菌涂料、風電涂料等領域也同樣有著巨大的研究價值,研究工作也正如火如荼地進行著,未來石墨烯材料勢必會在涂料行業發揮極大作用,推動高性能多功能涂料快速健康發展!

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