合金

石墨烯材料在金属材料中的增强作用主要是通过界面作用来有效阻止错位运动,从而强化金属基体。此时还要考虑金属与石墨烯的相互作用属性,如有的很强(如镍或钌),有的很弱(如铂或铱),有的会形成碳化物(如铝)等。

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电池

石墨烯在锂离子电池中可用作活性材料和非活性材料。Dahn提出可通过石墨烯表面蜂窝状空穴存储锂离子,其理论容量为石墨的两倍,理论上石墨烯可作为储锂活性材料使用。石墨烯也可作为导电性碳基非活性材料,用于在整个电池中构建更完善的电子传输网络,提高电化学转化效率,按电池结构可划分为三类应用:1.石墨烯改性电极,在钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等活性材料中,通过少量添加石墨烯构建良好的导电网络,包含导电添加剂和包覆改性两种技术路径;2.石墨烯复合集流体,通过石墨烯搭建电极和集流体之间的导电通路,降低材料间的界面接触电阻从而减少电池内部阻抗;3.电解质添加剂,通过石墨烯表面修饰,改善电解液内部载流子的迁移以及与活性材料的界面接触,提高固体电解质界面膜的稳定性。

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传感器

在电子技术中,电信号更易于处理,因此人们常常将各种传感信号(气体、光、力)转换成电信号处理。石墨烯独特的能带结构使其具有优异的电学特性。由于原子裸露在表面上,石墨烯的能带结构或电子态很容易受到外界信号的调制,从而导致电学性质的变化。这一特性赋予石墨烯在传感器领域强大的生命力和吸引力。

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防腐涂料

石墨烯重防腐涂料在柔韧性、抗冲击及耐盐雾腐蚀中都展现出了出色的防腐性能。金属材料的腐蚀通常是一个电化学过程,一个传统的防腐方式是在涂料或涂层中添加更活泼的金属锌等牺牲剂。石墨烯的优良导电特性使其能够参与导电网络通道的形成和电化学腐蚀过程,从而起到组织腐蚀发生的作用,还有可能节省金属牺牲剂的用量。此外,石墨烯表面的蜂窝状六元环结构是任何气体分子和腐蚀性物质都无法通过的,石墨烯防护层的层层堆叠结构会迟滞腐蚀性物质的扩散过程,起到动力学防腐的作用。有关石墨烯的防腐机制仍在深入研究之中,人们在认识上还有很多误区。

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超级电容器

在电化学双层电容中其主要利用石墨烯的高比表面积特性作为电极活性材料,理论上石墨烯的比容量可达550 F/g。然而在实际应用中,石墨烯的比表面积与其理论值相差甚远,以比表面积300~1000 m2/g的还原氧化石墨烯为例,其比容量仅为100~270 F/g。循环过程中,石墨烯片层之间的自发堆叠会进一步限制后期电容的性能发挥。此外,石墨烯/金属氧化物复合材料,利用石墨烯作为金属氧化物的负载载体,使其在纳米尺度分散,可应用于赝电容器中的电极活性材料,同时提高电极的导电性、机械稳定性以及电化学性能。

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导热膜

由氧化石墨烯膜经过还原和高温石墨化后形成的石墨膜,是以石墨烯为主体,采用多层石墨烯堆叠而成的高定向导热薄膜,传统工艺是采用聚酰亚胺薄膜经过碳化和高温石墨化后形成的人造石墨膜。

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橡胶轮胎

石墨烯改性橡胶的性能与很多因素有关,其中至关重要的是石墨烯在基体中的分散性和石墨烯与基体的界面性质。分散不均匀的石墨烯容易在基体中产生应力集中现象,从而降低石墨烯的增强效果。界面主要起到应力传递效应和阻断效应,即界面可将体系中基体承受的外力传递给石墨烯,起到基体与石墨烯的桥梁作用,并阻止裂纹扩展,缓解应力集中的作用。当多层石墨烯用于改性橡胶时,还需要考虑与石墨烯面内的强共价键相比,多层石墨烯片层之间的范德瓦耳斯力很弱,其增强能力还受到层间易剪切的限制。

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改性塑料

石墨烯改性塑料的性能与很多因素有关,其中至关重要的是石墨烯在基体树脂中的分散性和石墨烯与基体树脂的界面性质。分散不均匀的石墨烯容易在基体树脂中产生应力集中现象,从而降低石墨烯的增强效果。界面主要起到应力传递效应和阻断效应,即界面可将体系中基体树脂承受的外力传递给石墨烯,起到基体树脂与石墨烯的桥梁作用,并阻止裂纹扩展,缓解应力集中的作用。当多层石墨烯用于改性塑料时,还需要考虑与石墨烯面内的强共价键相比,多层石墨烯片层之间的范德瓦耳斯力很弱,其增强能力还受到层间易剪切的限制。

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电加热

电热膜是一种通电后能发热的薄膜材料,由导电油墨通过凹印或丝印技术印刷而成。其中,导电油墨是通过石墨烯与聚酯类材料复合而成的浆料。电热膜工作时以辐射的形式释放能量,其综合效果优于传统的对流取暖方式和传统发热材料。

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硅酸盐材料

对于无机非金属材料来说,由于自身已经具有较高的刚性和强度,石墨烯主要起到增强韧性或阻止裂纹增长的作用,其增韧机理主要是由于材料断裂时,石墨烯纳米片的拉出会增加能量耗散。

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热界面材料

导热硅脂、导热凝胶、相变材料等是电子设备热管理系统的关键部分。其中,高导热填料是提升热界面材料导热性能最重要的部分。石墨烯具有超高的热传导系数,是最理想的导热填料之一。石墨烯热传导的主要模式是声子,而声子在传递过程中,不可避免地要经过基底与填料界面,因此增加界面结合程度,有利于声子传递,可以有效提高复合材料的导热性能。

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纤维增强复合材料

对于纤维增强复合材料来说,由于自身已经具有较高的刚性和强度,石墨烯主要起到增强韧性或阻止裂纹增长的作用,其增韧机理主要是由于材料断裂时,石墨烯纳米片的拉出会增加能量耗散。

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显示器件

石墨烯作为超薄柔性的二维纯碳材料,具有优异的力学性质,同时兼具超高载流子迁移率和透光性,因此是理想的柔性透明导电薄膜材料,可用于制作新一代柔性电子器件,包括石墨烯柔性显示、石墨烯柔性照明、石墨烯触摸屏等。

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