原文作者：Terrance Barkan, The Graphene Council, New Bern, NC, USA.

原文來源：Nature Nanotechnology 14 (2019) 904-906.

發(fā)表日期：2019年10月3日

翻譯日期：2019年10月4日

翻譯人員：

段璞、丁古巧* gqding@mail.sim.ac.cn

石墨烯材料和應(yīng)用聯(lián)合實驗室

中科院上海微系統(tǒng)所/上海烯望材料科技有限公司

石墨烯正以市場現(xiàn)實為基礎(chǔ)在商業(yè)上大量使用，而不是大肆宣傳的”殺手級應(yīng)用”

盡管二維材料和石墨烯的研究已有很長的歷史，可追溯到1947年P(guān)R Wallace關(guān)于石墨的物理帶隙的論文[1]和Blakely在1960年代和1970年代的研究[2,3]，但2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯[4]以及隨后2010年獲得的諾貝爾物理學(xué)獎，才使世人對石墨烯材料產(chǎn)生了超越現(xiàn)實的期望。

早期對石墨烯材料特性（最薄，最輕，最堅固，最導(dǎo)電和最導(dǎo)熱等）的最高級描述產(chǎn)生了引發(fā)了石墨烯行業(yè)的炒作（作者原文是：引發(fā)了所謂的經(jīng)典Gartner“Hype Cycle'。Garnter Hype Cycle用于描述新技術(shù)的全生命周期，一般分為5個關(guān)鍵階段：Technology Trigger-Peak of Inflated Expectations-Trough of Disillusionment-Slope of Enlightenment-Plateau of Productivity，也描述了該技術(shù)受公眾關(guān)注的程度，因而中文也會翻譯為炒作周期）。當(dāng)人們談?wù)摻ㄔ臁笆┨针娞荨?，或者維珍航空CEO Richard Branson先生在2017年3月[5]?對《每日電訊報》說“如果繼續(xù)研發(fā)10年的話，希望石墨烯可以成為未來飛機(jī)的主要材料。它們的重量將比目前的飛機(jī)輕得多，這又將在燃油消耗方面有所作為”，這種對石墨烯的炒作或公眾預(yù)期達(dá)到頂點。

雖然通常用于描述石墨烯最高級性能在原子級別上是正確的（作為六角形蜂窩晶格中純凈、無缺陷的sp2碳鍵原子的單一平面），但宏觀世界中，石墨烯應(yīng)用方面的表現(xiàn)有所不同。

路線圖和彎路

在過去的15年中，石墨烯的大部分研究和工作已經(jīng)在大學(xué)實驗室和政府投資計劃下進(jìn)行，最終目的是開發(fā)商業(yè)應(yīng)用。甚至有精心制作的“路線圖”都試圖預(yù)測和影響這種令人印象深刻的新材料的商業(yè)發(fā)展方向。與“市場拉動”相反，這些努力中的許多可以被描述為“技術(shù)推動”方法。

石墨烯商業(yè)應(yīng)用的障礙很多。這些包括材料本身的一些固有缺陷，例如缺少帶隙，使其不太適合電子應(yīng)用。眾所周知，將石墨烯添加到另一種材料中時，要獲得適當(dāng)?shù)姆稚⑿砸埠芾щy。其他障礙還包括沒有“標(biāo)準(zhǔn)等級”的石墨烯。為了使?jié)撛诳蛻袅私馑邮盏牟牧鲜欠癜?包含什么樣的石墨烯，他們需要使用昂貴且難以執(zhí)行的測試，例如X射線光電子能譜，拉曼光譜，透射電子顯微鏡，BET測試以及其他方法對材料進(jìn)行全面表征。

盡管存在這些障礙，但石墨烯材料的商業(yè)化已發(fā)生了巨大的變化，從主要是基于大學(xué)的實驗室規(guī)模的實驗性制備過渡到了目前多家企業(yè)能夠每年生產(chǎn)噸級石墨烯材料，這些公司主要分布在北美，歐洲和亞太地區(qū)（圖1）。石墨烯和納米技術(shù)的資深專家Joe Eldridge舉例說明了當(dāng)前的進(jìn)展：

圖1 石墨烯商業(yè)化的里程碑。重要事件的時間表，始于2004年石墨烯的分離。圖片來源：石墨烯委員會

“我們真的開始看到在重要的工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)了可行的石墨烯應(yīng)用產(chǎn)品，而不是具有有限實際利益的‘利基市場’或噱頭產(chǎn)品。有明顯跡象表明市場正在成熟，主要公司對石墨烯的使用正在加速。例如，佛羅里達(dá)州的Garmor Inc.剛剛通過了兩次制造審核，并于最近（2019年第三季度）與多個戰(zhàn)略合作伙伴簽署了多年的供應(yīng)和制造協(xié)議。這些早期采用者（客戶）是耐腐蝕和耐磨涂層的市場領(lǐng)導(dǎo)者。至關(guān)重要的是，這些協(xié)議每個都是針對幾噸石墨烯的，這些協(xié)議并不是終端客戶“幫忙”（翻譯者：潛臺詞是表示這些應(yīng)用都是實實在在的技術(shù)，好的產(chǎn)品）。經(jīng)過多個客戶的仔細(xì)審核過程后，產(chǎn)品性能令人印象深刻，足以表現(xiàn)出自己的優(yōu)點?！?/span>

Graphene @ Manchester的CEO James Baker負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)曼徹斯特大學(xué)的整體商業(yè)化工作，包括最近開放的石墨烯工程與創(chuàng)新中心GEIC。他具有獨特的見解，與曼徹斯特大學(xué)的學(xué)者以及希望在其產(chǎn)品和應(yīng)用中使用石墨烯的主要商業(yè)公司緊密合作。他說：“我們已經(jīng)看到石墨烯如何顯著增強其他材料和應(yīng)用，特別是在復(fù)合材料，塑料，儲能，傳感器和涂料領(lǐng)域。我們相信，石墨烯的商業(yè)化將在未來12至18個月內(nèi)達(dá)到關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點?！贝祟惵暶髟谠擃I(lǐng)域正變得越來越普遍，并證明了在工業(yè)規(guī)模下迅速成熟的石墨烯材料商業(yè)市場。

石墨烯材料的“家族”

從商業(yè)和工業(yè)材料的角度講石墨烯時，我們實際上是在談?wù)搹膯螌踊颉凹儭眴螌犹佳由斓蕉鄬邮┘{米片（GNP）的一系列材料。它包括氧化石墨烯（GO）和還原的氧化石墨烯（rGO）。它包括在基板上呈單層材料形式的石墨烯材料，包括漿料，溶液或粉末狀態(tài)的GNP/GO。所有這些形式的材料在當(dāng)今全球商業(yè)市場中都以“石墨烯”的形式提供。

這些定義有一個幾乎無限范圍內(nèi)的材料特性、行為和物理、化學(xué)性質(zhì)，包括層數(shù)（從1到10個原子層或更多），橫向尺寸或晶體尺寸（從亞微米到數(shù)十微米），雜質(zhì)（微量金屬，灰分，硫，氧等）的種類和數(shù)量。每一個參數(shù)都可能影響石墨烯在特定應(yīng)用案例中的表現(xiàn)。

圖2 石墨烯的應(yīng)用按材料類型劃分。在不同應(yīng)用中使用的單層，單層/多層和塊狀石墨烯的相對數(shù)量。圖片來源：石墨烯委員會

在商業(yè)應(yīng)用和生產(chǎn)方法方面，可以將市場大致分為兩個截然不同的部分：“自下而上”生產(chǎn)（通常使用化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝生產(chǎn)石墨烯）和“自上而下”生產(chǎn)（通常使用石墨作為原料，然后使用化學(xué)、電化學(xué)、物理剝離、插層等中的一種或多種方法分離碳層）。

這些方法不僅有很大的不同，而且所生產(chǎn)的石墨烯材料適合非常不同的市場。CVD型材料（單碳層）更適合于電子和傳感器應(yīng)用，而“塊狀”或多層材料更適合于塑料，復(fù)合材料，橡膠，水泥，涂料和其他需要大量材料的應(yīng)用。這兩類石墨烯材料的價格也存在巨大差異，CVD石墨烯材料的成本是塊狀石墨烯材料的許多倍，因此單層材料通常以平方厘米為單位定價，而塊狀材料以克，千克或磅為單位定價。

石墨烯-一種萬能的材料

重要的是，不要將石墨烯視為具有最高性能的獨立材料，而應(yīng)將其視為具有獨特能力的納米材料添加劑，該添加劑能夠顯著增強其他材料的性能。我們已經(jīng)在整個市售石墨烯材料范圍內(nèi)確定了40多個主要應(yīng)用領(lǐng)域，石墨烯可以在其中產(chǎn)生重大影響（圖2）。最發(fā)達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域之一是在塑料和復(fù)合材料中添加石墨烯，以增加強度，導(dǎo)電性或改善熱傳遞。通過添加極少量的石墨烯塊狀材料（按重量計遠(yuǎn)低于1％），某些塑料和復(fù)合材料的強度可以提高30–40％或更多（使用楊氏模量測得）。

2019年3月，福特汽車公司宣布經(jīng)過三年的研究和測試，它將石墨烯增強的聚氨酯（PU）零件放入其兩款銷量最高的量產(chǎn)車（F150皮卡車和野馬車）中。最初的目標(biāo)是改善發(fā)動機(jī)艙中的熱量管理。通過添加少量美國XG Sciences提供的石墨烯，增強型PU部件的傳熱性能提高了30％。出乎意料的是，這種新材料還使強度提高了20％，振動和噪音降低了17％，促使福特考慮在其他地方可以使用石墨烯增強材料來改善車輛的性能和舒適性。

在另一種非常不同的應(yīng)用中，NextGen（澳大利亞的采礦設(shè)備供應(yīng)商）在其一次性的采礦鏟斗襯里中使用了由First Graphene提供的石墨烯增強型PU材料，這減少了更換周期時間，并且將材料減少了約三分之一，因為增強材料的堅固性。

多樣性也反映在生產(chǎn)方法的范圍內(nèi)。NTherma是總部位于加利福尼亞的供應(yīng)商，實際上首先生產(chǎn)碳納米管（CNT），然后“解壓縮”它們以形成特定長度的石墨烯納米帶。然后，它可以進(jìn)一步處理該材料以創(chuàng)建很少的GNP。它們的材料已被用于改善標(biāo)準(zhǔn)機(jī)油的潤滑性（僅作為一種樣品應(yīng)用），這是石墨烯的另一個獨特市場。另一個里程碑是，總部位于英國的Briggs Automotive Company（BAC）最近推出了其Mono R單座超級跑車，這是世界上第一款將石墨烯增強碳纖維完全結(jié)合到每個車身面板中的量產(chǎn)汽車。這種方法增強了纖維的結(jié)構(gòu)特性，從而使面板更堅固，更輕，同時改善了機(jī)械和熱性能。該成就是Haydale Composite Solutions（提供增強的石墨烯材料）和Pentaxia Composites合作的結(jié)果。BAC還與全球科學(xué)公司DSM（荷蘭海爾倫）合作，首次在Mono R上使用增材制造。

增材制造和石墨烯

石墨烯已在多種應(yīng)用中證明了其多功能性，這些應(yīng)用還利用了相對新的增材制造技術(shù)（通常稱為3D打?。Ｅc傳統(tǒng)的機(jī)加工或模制零件相比，在某些情況下3D打印材料難以克服強度不足的問題。通過添加石墨烯，許多3D打印材料可以提高其強度特性。在最近的例子中，全球基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)公司Aecom正在開發(fā)英國首批由石墨烯增強聚合物制成的3D打印商業(yè)產(chǎn)品之一。該公司的CNCTArch旨在降低與在傳輸網(wǎng)絡(luò)上安裝數(shù)字信號系統(tǒng)相關(guān)的成本。Aecom與英國工程公司Scaled合作開發(fā)了詳細(xì)的設(shè)計并使用由英國先進(jìn)工程材料集團(tuán)Versarien提供的新型石墨烯增強聚合物印刷CNCTArch。

石墨烯測試和檢驗

在北美，歐洲和澳大利亞，有近300家公司被石墨烯委員會認(rèn)定和追蹤為石墨烯生產(chǎn)商。此外，僅在中國注冊的與“石墨烯”相關(guān)的公司就有6000多家。（盡管有很多沒有商業(yè)活動，許多生產(chǎn)所謂的石墨烯增強型消費品，但這仍然使數(shù)百家公司在中國生產(chǎn)和銷售各種形式的石墨烯材料。）

在這種環(huán)境下，沒有標(biāo)準(zhǔn)化等級的石墨烯或參考材料。在材料等級和價格方面，市場也嚴(yán)重缺乏透明度（如果提供了供應(yīng)商提供的材料規(guī)格表，則不一致并且難以比較）。這使得潛在的石墨烯使用者很難確定合適的商業(yè)供應(yīng)商。

因此，最近啟動了經(jīng)過檢驗的石墨烯生產(chǎn)商計劃，該計劃包括現(xiàn)場檢查石墨烯生產(chǎn)商的設(shè)施，包括對健康，安全和質(zhì)量控制流程的審查。此外，從生產(chǎn)流中抽取材料的隨機(jī)樣本，然后由世界一流的材料實驗室（例如英國國家物理實驗室）進(jìn)行全面表征。該計劃的目的是為石墨烯生產(chǎn)商提供急需的獨立第三方評估。商業(yè)市場以前無法獲得的透明度對于最終用戶，客戶和投資者而言具有很高的價值。

隨著石墨烯的不斷發(fā)展和成熟，成為一種真正的工業(yè)規(guī)模材料，它有可能破壞并顯著改善數(shù)十個重要市場，從儲能到醫(yī)療保健，從加強基礎(chǔ)設(shè)施到突破傳感障礙，以及介于兩者之間。正如已經(jīng)確定的40多個主要應(yīng)用領(lǐng)域所證明的那樣，很少有石墨烯沒有表現(xiàn)出改善性能的潛力（強度和韌性，電導(dǎo)率，熱傳遞，輕量化，增加的能量密度等）。

石墨烯提供了機(jī)會使用碳，碳本身不僅具有可持續(xù)性，而且還通過減少能源需求和排放，使材料使用壽命更長，提高了可回收性，從環(huán)境中清除毒素等方式，使許多其他行業(yè)更具可持續(xù)性。

即使石墨烯研究人員和學(xué)者群體不斷地突破我們對這種驚人的、剛剛發(fā)現(xiàn)才15年的材料了解的界限，但我們相信，石墨烯作為工業(yè)材料的下一階段將來自商業(yè)部門和石墨烯生產(chǎn)商，他們將共同開展合作項目以解決現(xiàn)實應(yīng)用中的具體問題，很難確定未來有可能出現(xiàn)另一種新材料以如此多種有益的方式用于如此廣泛的應(yīng)用中。

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參考文獻(xiàn)

1. Wallace, P. R. Phys. Rev. 71, 622 (1947).

2. Eizenberg, M. & Blakely, J. M. Surf. Sci. 82, 228-236 (1979).

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4. Novoselov, K. S. et al. Science 306, 666-669 (2004).

5. Quinn, J. Planes will be made from wonder material graphene 'in 10 years'. The Telegraph (28 March 2017).

原文鏈接：
? ? ? https://www.nature.com/articles/s41565-019-0556-1

https://doi.org/10.1038/s41565-019-0556-1
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