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石墨烯产品生产加工难,检测认证体系仍需完善

导读: 近日,新加坡国立大学研究人员在材料学顶级期刊Advanced Materials上发文表示,在检测全球60余家石墨烯供应商的产品时,发现大部分石墨烯片的质量不合格。

自从2010年曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现石墨烯这种新型材料后,石墨烯这几年可以说是赚够了风头,在电池能源行业、生物材料以及传感器等行业无数研究人员为其折腰,相关企业数量也是如雨后春笋般疯狂增长。

石墨烯产品生产加工难,检测认证体系仍需完善

火热的浪潮虽然依旧强势,但是石墨烯粉末的质量却让人担忧。近日,新加坡国立大学研究人员在材料学顶级期刊Advanced Materials上发文表示,利用他们最新研究的石墨烯产品质量检测技术,在检测来自美洲、亚洲和欧洲60余家供货商的石墨烯样品时发现,大部分石墨烯片含量不到10%,几乎全是未剥离的石墨粉末,并且污染较多,这可能是加工过程中产生的杂志。石墨烯材料目前主要的应用还是依赖于从石墨烯片,这些石墨烯片是需要从石墨中剥离出来的,这些“假石墨烯”造成了石墨烯市场参差不齐的现状。

石墨烯产品生产加工难,检测认证体系仍需完善

石墨烯主要是由碳原子以sp2杂化轨道组成的单层碳纳米二维材料,它有着十分优秀的光学、热学、导电能力以及强度等性能。随着石墨烯的研究更加深入,研究人员发现双层以及多层的石墨烯性能更加优秀,国际标准化组织IOS认定当组成石墨烯的碳原子层数量不多于10层时,才能称之为石墨烯。最近,也有一些国际机构对这种标准提出了质疑。

性能优良,却难以大批量生产

石墨烯性能虽然优良,但是批量生产存在很大问题。其实,生产单层石墨烯已经不是什么新鲜事了,不过当然不是利用安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫的 “撕胶带法”,而是采用了目前最为成熟的在铜箔基底上“化学气相沉积法(CVD)”。但是在工业制造和商品化的角度来看的话,这种方法成本较高,并且相关工艺还需要优化,所以大规模生产可能还需时日。

石墨烯产品生产加工难,检测认证体系仍需完善

从技术角度来看,目前CVD设备内的模具空间尺寸受限,对于单层石墨烯的连续制备捉襟见肘。即使CVD设备内的空间尺寸足够大,在工艺上控制石墨烯表面质量完好、不破损也是一个技术难点。另外,如果能够生产出大面积质量完好的石墨烯,它也不能单独使用。因为大面积的石墨烯比较薄,容易破损,必须要用在一些电子产品和元器件中。这种特性也在一定程度上限制了石墨烯的制备。

石墨烯与其他材料复合困难

研究人员在实验室中研究石墨烯时,发现了一个制约石墨烯大规模应用的因素,石墨烯十分顽固,很难在基体和其他材料中分散。首先,正如上文提到的片状石墨烯很薄,在与其他材料加工复合过程中,如果产生高温、高压等条件,石墨烯非常容易产生皱褶、变形等现象,破坏了片状石墨烯的结构,复合材料达不到所需要的性能。

石墨烯产品生产加工难,检测认证体系仍需完善

另外,单层石墨烯之间的范德华力(分子间作用力)很大,复合所用的材料很难将其打开,参考获得诺贝尔奖的机械剥离法中所用的石墨是有多层的石墨烯组成的,所以增加石墨烯层数能够很好地降低层与层之间的范德华力,但是层数增加到十层以上的话,也很难体现出石墨烯的改性作用。

还有一点需要考虑的是,由于碳碳原子紧密堆积,缺少活泼的官能团,石墨烯表现出很强的化学惰性。

检测、认证体系尤为重要

那么在生产制备优质的石墨烯以及相关的复合材料较难的情况下,利用相关政策来控制石墨烯市场的标准十分重要。据悉,我国石墨矿储量占到了全球总量的75%,产能达到了世界总量的72%,在作为资源大国和制造业大国的同时,我们必须要关心石墨烯的产出质量。早在一年前,中国的石墨烯企业有很大一批都出现了产能过剩,卖不出去的情况。

大型的研究机构和像苹果、三星这些国际性大公司在石墨烯领域还在申请专利和相关研究阶段,在很大程度上,很多石墨烯相关企业股市的疯涨也是炒起来的,泡沫成分比较多。完善认证体系控制上、游企业显得更加重要,另外,目前的检测手段主要集中在石墨烯的含量检测上,而对于石墨烯及其产品功能的检测手段十分匮乏,这也是亟待解决的问题之一。

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