本文由“电科防务研究”微信公众号（CETC-ETDR）授权发布

【据复合材料世界网站2015年5月18日报道】美国橡树岭国家实验室（ORNL）首次利用化学气相沉积工艺制成51毫米×51毫米的石墨烯片材，为实现石墨烯商业化规模生产奠定了重要基础。

ORNL's ultrastrong graphene features layers of graphene and polymers and is an effective conductor of electricity.

石墨烯比碳纤维具有更高的硬度与强度，具有巨大的商业潜力，但是目前仍未实现大规模生产，仅限于一些小型片材供研究人员使用。采用美国能源部橡树岭国家实验室验证的方法，能够帮助解决当前妨碍石墨烯商业化应用的难题。

This sheet of graphene contains an array of crown ethers that can strongly bind select guest ions or molecules.

橡树岭国家实验室的研究人员利用化学气相沉积工艺制造出含有51毫米×51毫米、单原子厚、碳原子呈六角形排列的石墨烯的聚合物复合材料片材。这一研究结果发表在《应用材料与界面》期刊上，有望使柔性电子迎来新时代，并改变对这种增强材料的认识及其最终应用的方式。橡树岭国家实验室能源与运输科学部成员表示，此前石墨烯精湛的机械性能均表现在微观尺度上，通过该研究已经实现了更大尺寸石墨烯的制备，这大大扩展了石墨烯的潜在应用和市场。

Researchers created nanopores in graphene (red, and enlarged in the circle to highlight its honeycomb structure) that are stabilized with silicon atoms (yellow) and showed their porous membrane could desalinate seawater. Orange represents a non-graphene residual polymer.

目前大多数聚合物纳米复合材料制备的方法都是采用微小片状石墨烯或其他碳纳米材料，但很难在聚合物中均匀散开，而该研究利用更大尺寸的石墨烯片材，消除了小薄片易分散和成团的问题，并使这种复合材料在石墨烯含量较少时具有更好的导电性。

A shematic showing the conventional methods commonly used for the synthesis of graphene along with their key features, and the current and future applications.

ORNL的研究人员称，该项研究利用化学气相沉积工艺制成的可导电的纳米复合材料层压板中石墨烯的含量比目前世界上最先进的样品还要少50倍，这将成为未来获得市场竞争力的关键。如果能够降低制造成本，并证明其可扩展性，石墨烯在航空航天（结构监测、阻燃剂、防冰、导电），汽车（催化剂、耐磨涂层），结构材料（自洁涂料、温度控制材料），电子产品（显示器、印刷电子），能源（光伏、过滤、储能）和制造业（催化剂、阻隔涂层）等多个领域都将具有广阔应用前景。

(本文转自“电科防务研究”,微信公众号:CETC-ETDR,原文来源：国防科技信息网,编译：北方科技信息研究所 胡晓睿)

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延伸阅读：

石墨烯的神奇：刚柔并济　超群拔类

——石墨烯商业应用大潮正慢慢来临

如果你读过很多科学和技术新闻，可能对这个说法印象深刻——石墨烯对什么都有好处。石墨烯由仅有一个原子那么薄的碳构成，却实实在在地拥有最高级别的电子、光学、力学性能。

将石墨烯应用在计算机中的设想虽然目前还不切实际，但这种材料在柔性电子显示屏、高能电池和其他产品中很可能成为关键组件。

比硅导电更快，但暂时难成“石墨烯半导体”

2004年，英国曼彻斯特大学研究人员安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，第一次分离出石墨烯并测试了它的电性能。他们用一种特殊胶带一层一层地将破碎细小的石墨剥掉，直到仅剩下单个原子厚度的碳网格。这个成果让二人获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯很诡异。它陈列出一种被称作“冲猾导”的状态，电荷可以不受阻碍地穿越它，穿越速度比现今广泛应用于集成电路中的硅材料要快得多。

一开始，研究人员对于石墨烯计算的可能性感到异常兴奋。但是不要指望在未来你的笔记本电脑里能找到一个石墨烯处理器。石墨烯并不是半导体，这意味着它很难从导电状态切换到绝缘状态，如果没有强大的切换功能，石墨烯开关就无法在数字逻辑中取代硅。

石墨烯的电性能可能更适合应用于电信行业的模拟电路中。2011年IBM就证明了在电信应用中使用超快石墨烯电路的可行性。

坚硬且富弹性，适用可穿戴设备和电信线路

石墨烯的最佳属性当属机械性能，它既灵活又富有弹性。

2008年，美国哥伦比亚大学的研究表明，石墨烯是目前测试过的材料中最坚硬的。美国得克萨斯大学达拉斯分校的雷·鲍曼领导的研究小组一直致力于将集合了坚硬、灵活和高导电性于一体的石墨烯材料应用于纺织品。石墨烯纱线可以制成人工肌肉或者与电池材料结合起来后成为可穿戴设备的电子器件。

2013年，石墨烯商业化应用的一个重要里程碑来了，它超越了用所谓的胶带方法制备高质量小薄片石墨烯的时代。得克萨斯大学罗德尼·罗奥夫带领的研究团队，在一大片区域上生成了高质量的石墨烯，方法是在受控条件非常精细的铜片上通过一种气相沉积法将碳沉降其上并形成石墨烯。

这非常重要，因为只有高质量的石墨烯才能呈现出冲猾导的性能。2014年，三星公司证明了石墨烯也能在另一种叫做锗材料的表面生成。

罗奥夫的另一些同事则致力于将石墨烯生长成能制作坚固耐用且灵活的电信线路。这些设备坚硬到足可以被一辆汽车碾过且经受得住在水中浸泡。德吉·爱晋旺德在一篇论文中证明了这一点，他正在与康宁公司和3M公司合作，争取实现石墨烯的大规模生产。

与电极相“依偎”，可提升电池和触屏性能

距离商业化较近的应用是利用石墨烯的导电性和力学强度来生产电极材料。例如，它可以替代氧化铟锡，被用来生产透明导电电极，应用于触摸屏显示器。2014年9月，英国剑桥石墨烯研发中心和电子公司Plastic Logic共同展示了一种用石墨烯电极制成的柔性显示屏。

加入石墨烯电极能制成高能电池，能让电动汽车行驶路程更远，且机械稳定性更加优异。2011年，美国加利福尼亚大学的研究人员用石墨烯像三明治结构那样将电池电极夹住并稳定下来。其中一位名为张跃刚的研究人员将其实验室搬回中国，以希望更快实现产业化，2014年，他在中国科学院的团队证明了石墨烯可以夹住并固定硫电极。

加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员正在探索新的石墨烯应用，如石墨烯是否能被用在充电速度远远超过电池、蓄电能力也更加强大的新型电容器中。

石墨烯被发现距今仅11年，却引起了一浪高过一浪的研发热潮，这在材料科学发展历史中比较罕见。虽然科学家和产业界就此充分展开想象力的翅膀，但麻省理工学院《科技评论》的观点认为：“实际应用真的来了，但速度很慢。”

(来源：科技日报，作者：记者 房琳琳)

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