纳米材料001

王文祥研1603班2160121111纳米材料纳米材料是纳米科技的基础，功能纳米材料是纳米材料科学中最富有活力的领域，它对信息、生物、能源、环境、宇航等高科技领域，将产生深远的影响并具有广阔的应用前景。要想了解纳米材料与技术，首先要弄清楚“纳米”是什么。纳米是长度单位，1纳米是1米的十亿分之一，大约相当于1根头发的八万分之一。别看它身材小，但作用很大。因为纳米正好介于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，而且纳米材料还带有“特异功能”，具有奇异的化学物理特性。例如，有些纳米材料十分结实，强度比普通金属高十几倍，同时弹性又堪比橡胶，人们幻想有一天会使用这样的纳米钢材制造出汽车、飞机或轮船，使它们的重量减少到原来的1/10；而有的纳米材料轻而柔软，又非常强韧，密度是钢的1/6，而强度却是钢的l00倍，做防弹背心再好不过；还有的纳米材料可以吸收太阳光中的光能，直接作为电源使用。纳米虽然微小，但是它构建的世界却是神奇而宏大的。纳米技术就是利用纳米材料的奇妙性能，制造具有特定功能的零部件和产品的技术。一些权威专家预测，未来纳米技术将在生物医学、航空航天、能源和环境等领域“大显身手”。现跟踪国内一些机构在纳米材料领域的研究进展，本次主要选择了一个方向：石墨烯。石墨烯（Graphene）是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子（氢原子）也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。中文名石墨烯杨氏模量1100Gpa英文名graphene断裂强度125Gpa应用电子、化学研究导热系数5000W/(mk)发现时间2004年理论比表面积2630m2/g发现人Geim、Novoselov可见光透过率=97%电子迁移率150000cm2/(vs)厚度一个原子层石墨烯被很多人认为是硅材料的后继者，因为其电子迁移率可达到硅的十倍以上，并解决了硅材料在制程微缩方面的许多问题；不过石墨烯缺乏制作晶体管所需的能隙，也延迟了相关技术的发展。制备石墨烯常见的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法和化学气相沉积法（CVD）。机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构，但是得到的片层小，生产效率低。氧化还原法是通过将石墨氧化，增大石墨层之间的间距，再通过物理方法将其分离，最后通过化学法还原，得到石墨烯的方法。这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低。SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯，但是这种方法对设备要求较高。CVD是目前最有可能实现工业化制备高质量、大面积石墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点，但现阶段成本较高，工艺条件还需进一步完善。石墨烯的主要分类单层石墨烯单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。双层石墨烯双层石墨烯（Bilayerordouble-layergraphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。少层石墨烯少层石墨烯（Few-layer）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。多层或厚层石墨烯多层或厚层石墨烯（multi-layergraphene）：指厚度在10层以上10nm以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。国内机构1.中国石墨烯产业技术创新战略联盟（2013年7月成立）中国石墨烯产业技术创新战略联盟是由清华大学、中国科学院金属研究所、南京科孚纳米技术有限公司、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、北京现代华清材料科技发展中心等核心单位发起，联合国内从事石墨烯研发、产业化的26家法人机构，在中国产学研合作促进会的支持下成立。“联盟”旨在大力构建以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的石墨烯产业技术创新体系，搭建好公共科技服务平台和测试平台，进一步提升石墨烯产业链的整体创新水平，促进产学研与用的紧密结合，为推动我国石墨烯产业做出贡献。我国在石墨烯基础研究方面已经十分突出。据悉，截至2012年年底，我国发表的石墨烯论文数量已经超过美国，名列世界首位，专利数量也仅次于美国。但是，我国在实现石墨烯产业化的道路上还存在一些问题：一是规模化生产能力不高，产品成本高；二是下游应用有待开拓。因此我国石墨烯行业既要尽可能降低成本实现规模化生产，又要尽快在产业化应用上实现突破。近日获悉，由青岛国家高新技术产业开发区和中国石墨烯产业技术创新战略联盟共同举办的“2016中国国际石墨烯创新大会”（GRAPCHINA2016）将于9月22日至24日在青岛举行。在为期三天的活动中，来自30多个国家和地区的600家公司、2000多位石墨烯行业人士，将通过40多场分会对石墨烯的基础研究、应用技术及产业化推广进行交流和探讨。其中，2010年诺奖得主安德烈•海姆教授将发表主题报告，对石墨烯产业未来发展进行分析。据青岛国家高新技术产业开发区节能技术与新材料事业部部长张志强介绍，本届大会上，中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准化委员会参与国际石墨烯标准制定是一大亮点。大会期间中外将联合举办国际石墨烯标准化论坛，标志着中国在联合制定国际石墨烯标准方面迈出关键一步。张志强透露说，欧盟石墨烯旗舰计划负责人还将与中方共同布局全球石墨烯知识产权合作，讨论合作开展知识产权保护、交易等促进企业技术发展的平台建设工作。此外，大会期间将举行“2016中国国际先进碳材料应用博览会”（IACM-EXPO2016），总面积达1万平米的展区将汇聚最有价值的石墨烯产品、最权威的研究成果、最优秀的产业链服务企业以及国家级产业示范基地，搭建绝佳的石墨烯宣传展示平台。2.中科院重庆绿色智能技术研究院（2011年筹建，2014年成立）中科院重庆绿色智能技术研究院中心瞄准国家中长期科技发展规划与重庆区域经济在微纳制造技术领域的重大需求，中心围绕石墨烯与微纳结构的奇异特性、规模化制备系统集成，重点开展低维柔性石墨烯材料、规模化微纳加工方法与装备、新型微纳光电器件及系统等方面研究。目前已建立具有国际领先水平的微纳制造技术公共研发平台，并成功实现石墨烯材料的产业孵化。研究方向：（1）石墨烯柔性材料：石墨烯的力学、热学、电学性能的密度泛函理论计算，大面积高质量石墨烯的制备方法与纳米功能器件的研制及应用；（2）规模化微纳加工方法与装备：以应用为牵引，开发批量化微纳结构加工方法与装备；（3）新型微纳光电器件及系统：研究新型石墨烯的微纳光、机、电、生集成化系统，应用高分辨探测与成像、绿色能源、信息、环境及生物医学等领域。3.京津冀石墨烯产业发展联盟（2015年12月成立）今天成立的京津冀石墨烯产业发展联盟，将进一步整合三地资源，抢抓京津冀协同发展机遇，加快推进京津冀石墨烯产业发展，形成京津冀战略性新兴产业高地。近年来，京津冀等地在石墨烯的研发和产业化方面进展迅速，正在形成集聚效应。例如，唐山高新区石墨烯产业发展迅速，初步形成了14家石墨烯相关企业共同发展的产业集群，拥有河北省石墨烯产业院士工作站、石墨烯材料工程技术研究中心等研发机构，拥有省级科技企业孵化器、检验检测、众创空间、科技融资等服务机构。4.正泰集团9月9日上午，在杭州举行的正泰Grabat石墨烯技术应用（中国）发布会，发布了石墨烯技术应用的多个解决方案，意味着备受业界关注的石墨烯技术取得了新的进展，也意味着正泰在新能源领域有了重大突破的可能。多年前正泰捕捉到石墨烯的应用商机，2014年收购上海新池能源公司，并与中科院上海微系统所成立联合实验室，以领先的石墨烯粉体材料为基础开发下游应用。重点聚焦发展高品质石墨烯粉体材料，围绕电器产业开发石墨烯铜复合金属材料应用。正泰同时设立储能及动力电池事业部，设计开发储能和动力电池的应用，并逐步发展工业级高能量密度储能系统及控制平台。2016年初，正泰与西班牙Graphenano公司合作投资Grabat公司，共同研发高性能石墨烯电池。在发布会上，西班牙Graphenano公司CEO兼Grabat公司董事长马丁和团队现场展示了石墨烯技术在电池、涂料、纤维、摩托车、摩托艇、水泥等多个领域应用取得的最新成果。仅以电池领域应用为例，Grabat公司石墨烯聚合物电池较普通锂电池重量减轻80%、体积减少67%。马丁表示，正泰在全球100多个国家拥有业务，是一家重要的世界性企业，拥有自动化设备、电力产品及太阳能板等其他产品。正因如此，双方达成了在中国和西班牙生产石墨烯聚合物电池的战略合作。据悉，正泰集团跟踪石墨烯技术的演进，正是为了公司的新能源产业。作为电力设备制造知名企业和光伏新能源领军企业，正泰已形成“发、输、变、配、用”电力全产业链，在全球已建成并网运营200多座光伏电站，总装机容量达2.4GW。正泰集团董事长南存辉表示，储能电池技术是突破新能源大规模开发利用瓶颈的关键技术，也是智能电网的重要组成部分。储能电池技术应用到电力系统，可减少骨干线路配容投入，提高发电效率并保持电网的稳定性。通过电力储存建设微电网，打造智能城市，实现能源互联和能源管理。而在消费侧，屋顶光伏发电，加上储能，在发用电方面将实现微网自我运作。储能电池技术通过低价时段储存、高价时段使用的商业模式，可以解决电力能源错峰平衡问题。5.常州第六元素自主设计的生产线已成功实现了石墨烯产品低成本规模化制备，在技术、工艺、设备等方面获多项突破，产品具有比表面积大、导电性优异、分散度好和优良复合功能等特点。目前年产100吨的氧化石墨（烯）/石墨烯粉体生产线已投产运行，该生产线拥有完全的自主知识产权，且石墨烯产品质量好、成本低，达国际领先水平，具有极强的市场竞争力。贝特瑞及亿阳集团在石墨烯方面的研究也具有极强的竞争力。总结：由于其独有的特性，石墨烯被称为“神奇材料”，科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。曼彻斯特大学副校长ColinBailey教授称：“石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用，从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。”我国近几年来在石墨研究领域一直有诸多新的成果，并伴随着全球科技革命的浪潮在不断突飞猛进。