石墨烯发展前景及其防雷接地应用

石墨烯发展前景及其防雷接地应用

石墨烯是目前发现的惟一存在的二维自由态原子晶体，是构建零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等的基本结构单元，具有很多奇异的电子及机械性能。因此吸引了化学、材料等领域研究者的高度关注。

1、石墨烯的结构

石墨烯，英文名Graphene，是碳元素的一种单质形态。碳是自然界里最重要的元素之一有着独特的性质，是生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。石墨烯是碳的另一张奇妙脸孔，具有由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构。它像一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结是一个碳原子。这张网只有一个原子那么厚，可以说没有高度、只有长宽，是二维结构的碳。人类已知的最薄材料，其厚度只有0.335纳米，由于它包含烯类物质的基本特征--碳原子之间的双键，所以称为石墨烯。石墨烯虽呈二维结构，但它并不是平坦的，而是波状的(见图1)。在一个两层体系中，这种起伏不是很明显，在多层体系中会完全消失。

2、石墨烯与碳纳米管、富勒烯、石墨的联系和区别

碳元素的最大特点之一是存在着众多同素异形体，如人们熟悉的金刚石和石墨，以及前些年发现的以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等。

石墨烯的出现，使碳的晶体结构形成了包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯、金刚石和石墨在内的完整体系，最终建立了从零维到三维的碳范式(零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯、三维石墨或金刚石)。

令人惊奇的是，这些碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界度的超导体等。为什么碳元素会是如此的神奇呢?答案就在其独特的电子结构上，碳元素是第6号元素，其原子最外层有4个价电子，C原子除了可以sp³杂化轨道形成单键外，还能以sp²及 sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，可以和各种原子形成共价键，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质。

富勒烯是在1985年，由美国德克萨斯洲罗斯大学的科学家发现的，因为这一伟大的发现，1996年，富勒烯的发现者获得了诺贝尔奖；多壁碳纳米管是1991年日本的NEC公司基础研究室的电镜专家饭岛澄男博士在真空电弧蒸发石墨电极制备C60的实验产物中意外发现的一维碳材料，1993年，饭岛澄男博士等又发现了单壁碳纳米管；相比而言，2004 年，由海姆发现的石墨烯来说是最晚的，虽然如此，石墨，碳纳米管、富勒烯都可以看作由石墨烯转化来的，因此石墨烯可以看作是其他三种材料的母体。

石墨烯、富勒烯、碳纳米管以及石墨都是碳的同素异形体。由图2可以看出，石墨是由多层的石墨烯堆积而成的，石墨的层与层之间是由范德华力结合的，而同一网层中的碳原子是由特殊的单键结合，因此层与层间的距离比同一网层中碳原子的间距大，石墨的层与层之间是较松散的结构。碳纳米管的主体管部分可以看作是由一部分石墨烯片层卷曲而成，两端各由半个富勒烯封口。碳纳米管中的碳原子除了sp²杂化外，还有部分的sp。杂化，这样才能呈现出弯曲的管状结构。碳纳米管有着奇特的导电性质，它会因石墨烯形成碳纳米管时的卷曲方式不同而呈现出金属性和半导体性。另外，正是由于碳纳米管与石墨烯如此亲近的关系，碳纳米管的各种性质，石墨烯大都同样具有。富勒烯是由石墨烯上的一部分弯曲成足球状得到的，它是由60个碳原子以20个6元环和12个5元环连接而成的具有30个碳碳双键的足球状空心对称分子，分子剩余的电子在球状分子中形成大π键，因此富勒烯具有芳香性。

3、石墨烯的特性

石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量，石墨烯具有丰富而新奇的物理现象。

3.1特殊的结构稳定性

石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，就能保持结构稳定。

石墨烯的发现，首先让凝聚态物理学家们惊喜不已。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在，所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是，现在单层石墨烯已被剥离出来了。石墨烯结构稳定，可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e²/h，6e⁶/h，1Oe²/h…为量子电导-的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。

3.2优异的导电性

石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优异的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子(或更准确地，应称为“载荷子”)性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯可以吸收大约 2.3%的可见光，而这正是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

3.3 机械特性

石墨烯是人类已知强度最高的物质上比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些之间粒径为10-20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了-一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1-1.5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。结果发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。

3.4电子的相互作用

石墨烯的晶体结构的完整性，保证了电子能在石墨烯平面上畅通无阻的迁移，其迁移速率为传统半导体硅材料的数十至上百倍。这一优势使得石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料，可广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。目前，科学家们已经研制出了石墨烯晶体管的原型，并且乐观地预计不久就会出现全由石墨烯构成的全碳电路，并能广泛应用于人们的日常生活中。

此外，二维石墨烯材料中的电子行为与三维材料截然不同，无法用传统的量子力学加以解释，而必须运用更为复杂的相对论量子力学来阐释。因此，石墨烯为相对论量子力学的研究提供了很好的平台，而在这之前，科学家们只能在高能宇宙射线或高能加速器中对该理论进行验证，如今终于可以在普通环境下轻松开展研究了。

4、石墨烯的应用前景

地球上很容易找到石墨原料，将拥有众多令人神往的发展前景。例如，石墨烯作为目前已知的力学强度最高的材料，并有可能作为添加剂广泛应用于新型高强度复合材料之中；石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域的应用至关重要。另外，石墨烯在高灵敏度传感器和商性能储能器件方面，也已经展示出诱人的应用前景。可以说，石墨烯的出现，不仅给科学家们提供了一个充满魅力与无限可能的研究对象，更让我们对其充满了期待。

石墨烯，作为电导体，它和铜有着一样出色的导电性；作为热导体，它比目前任何其他材料的导热效果都好。利用石墨烯，科学家能够研发一系列具有特殊性质的新材料。比如，石墨烯晶体管的传输速度远远超过目前的硅晶体管，因此有希望应用于全新超级计算机的研发；石墨烯还可以用于制造触摸屏、发光板，甚至太阳能电池。如果和其他材料混合，石墨烯还可用于制造更耐热、更结实的电导体，从而使新材料更薄、更轻、更富有弹性。海姆和诺沃肖洛夫的研究成果不仅带来一场电子材料的革命，而且还将极大促进汽车、飞机和航天工业的发展。因此其应用前景十分广阔。

高纯度导电石墨凭着其出色的导电性和高耐热性在浪涌保护器上的应用已经很普及，开关型一级电源浪涌保护器防雷器最重要的元器件是石墨放电间隙。石墨放电间隙浪涌保护器采用了压降灭弧原理，多个间隙的电弧电压是能够减少续流，并可以在间隙中消除等离子体。石墨放电间隙浪涌保护器能够在工频电压过零前切断续流。由此可见采用石墨放电间隙的浪涌保护器具有良好的电压保护水平，并能够增加浪涌保护器的稳定性和使用寿命。在开关型浪涌保护器中采用石墨放电间隙，能够有效降低电压保护水平，起到很好的防雷作用。

在接地降阻领域导电石墨应用更为广泛，其纯度及含量比率是降阻材料降阻性能的决定性因素。如降阻剂、接地模块、柔性石墨基接地体、胶浆型接地体等都广泛应用了导电石墨的优良特性。而石墨烯导电复合剂是针对小粒径需求开发的水性石墨烯浆料，主要由 1-3 层石墨烯和去离子水组成，且石墨烯的单层率达 95%以上。其具有团聚少、分散性好、导电性优异、阻隔效果好等特点，可满足抗静电/导电涂料、防腐涂料、导电油墨和其它水性复合体系的应用需求，柔性复合接地体具有良好的降阻性能便是运用了石墨烯导电复合剂，提高接地体在导电、耐腐蚀及耐高温的关联性。