可細至奈米等級，最具未來的新材料"石墨烯(Graphene)"，規格介紹及市場分析
CP-MG 20170906 15:30
資料來源：CP-MG
圖片：網路圖片
石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料(可達12000 Mesh)
使用產業：
石墨根據其結晶不同，分為：
晶質石墨(鱗片)和隱晶質石墨(土狀)兩類。
它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導熱係數高達5300W/m·K，高於碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s，又比納米碳管或矽晶體高，而電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。
石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強100倍，甚至還要超過鑽石。
主要應用： 石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應可以通過實驗來驗證，例如電子無視障礙、實現幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質的物理性質。 因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，石墨烯也有著全新的電學屬性。
石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。 在塑料裡摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎上可以研製出薄、輕、拉伸性好和超強韌新型材料，用於製造汽車、飛機和衛星。
隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產業化應用步伐正在加快，基於已有的研究成果，最先實現商業化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。
消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的發展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。 有數據顯示2013年全球對手機觸摸屏的需求量大概在9.65億片。
到2015年，平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達到2.3億片，為石墨烯的應用提供了廣闊的市場。 韓國三星公司的研究人員也已製造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，相信大規模商用指日可待。
另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。 之前美國麻省理工學院已成功研製出表面附有石墨烯納米塗層的柔性光伏電池板，可極大降低製造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產業的發展。 由於高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也是極為突出的。
前不久美國NASA開發出應用於航天領域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發揮更重要的作用。 石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾。
人們發現，石墨烯具有非同尋常的導電性能，超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的出現有望在現代電子科技領域引發一輪革命。 在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統的半導體和導體，例如矽和銅遠沒有石墨烯表現得好。
由於電子和原子的碰撞，傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費了72%-81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非比尋常的優良特性。
石墨烯具有完美的二維晶體結構，它的晶格是由六個碳原子圍成的六邊形，厚度為一個原子層。 碳原子之間由σ鍵連接，結合方式為sp2雜化，這些σ鍵賦予了石墨烯極其優異的力學性質和結構剛性。 在石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的p電子，這些p電子可以在晶體中自由移動，且運動速度高達光速的1/300，賦予了石墨烯良好的導電性。 石墨烯是新一代的透明導電材料，在可見光區，四層石墨烯的透過率與傳統的ITO薄膜相當，在其它波段，四層石墨烯的透過率遠遠高於ITO薄膜。
因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由於石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來製造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。 石墨烯電子能帶結構石墨烯電子能帶結構 以獨立碳原子為基，將周圍碳原子產生的勢作為微擾，可以用矩陣的方法計算出石墨烯的能級分佈。在狄拉克點（Dirac Point）附近展開，可得能量與波矢呈線性關係（類似於光子的色散關係），且在狄拉克點出現奇點（singularity）。這意味著在費米麵附近，石墨烯中電子的有效質量為零，這也解釋了該材料獨特的電學等性質。
石墨烯特性：
1） 耐高溫型：石墨的熔點為3850±50℃，沸點為4250℃，即使經超高溫電弧灼燒，重量的損失很小， 熱膨脹係數也很小。石墨強度隨溫度提高而加強，在2000℃時，石墨強度提高一倍。
2） 導電、導熱性：石墨[2]的導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導 熱係數隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。
3） 潤滑性：石墨的潤滑性能取決於石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦係數越小，潤滑性能越好。
4） 化學穩定性：石墨在常溫下有良好的化學穩定性，能耐酸、耐鹼和耐有機溶劑的腐蝕。
5） 可塑性：石墨的韌性好，可年成很薄的薄片。
6） 抗熱震性：石墨在常溫下使用時能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變 化不大，不會產生裂紋。
1、作耐火材料: 石墨及其製品具有耐高溫、高強度的性質，在冶金工業中主要用來製造石墨坩堝，在煉 鋼中常用石墨作鋼錠之保護劑，冶金爐的內襯。
2、作導電材料: 在電氣工業上用作製造電極、電刷、碳棒、碳管、水銀正流器的正極，石墨墊圈、電話 零件，電視機顯像管的塗層等。
3、作耐磨潤滑材料: 石墨在機械工業中常作為潤滑劑。潤滑油往往不能在高速、高溫、高壓的條件下使 用，而石墨耐磨材料可以在 200~2000 ℃溫度中在很高的滑動速度下，不用潤滑油工作。
許多輸送 腐蝕介質的設備，廣泛採用石墨材料製成活塞杯，密封圈和軸承，它們運轉時勿需加入潤滑油。石墨乳 也是許多金屬加工(拔絲、拉管)時的良好的潤滑劑。
4、石墨具有良好的化學穩定性。經過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導熱性好，滲透率低等特點，就大 量用於製作熱交換器，反應槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵設備。廣泛應 用於石油化工、濕法冶金、酸鹼生產、合成纖維、造紙等工業部門，可節省大量的金屬材料。
5、作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料: 由於石墨的熱膨脹係數小，而且能耐急冷急熱的變化，可作為 玻璃器的鑄模，使用石墨後黑色金屬得到鑄件尺寸精確，表面光潔成品率高，不經加工或稍作加工就可 使用，因而節省了大量金屬。生產硬質合金等粉末冶金工藝，通常用石墨材料製成壓模和燒結用的瓷舟 。單晶矽的晶體生長坩堝，區域精煉容器，支架夾具，感應加熱器等都是用高純石墨加工而成的。此外 石墨還可作真空冶煉的石墨隔熱板和底座，高溫電阻爐爐管，棒、板、格棚等元件。
6、用於原子能工業和國防工業: 石墨具有良好的中子減速劑用於原子反應堆中，鈾一石墨反應堆是應用 較多的一種原子反應堆。作為動力用的原子能反應堆中的減速材料應當具有高熔點，穩定，耐腐蝕的性 能，石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應堆用的石墨純度要求很高，雜質含量不應超過幾十個PPM 。特別是其中硼含量應少於0.5PPM 。在國防工業中還用石墨製造固體燃料火箭的噴嘴，導彈的鼻錐，宇 宙航行設備的零件，隔熱材料和防射線材料。
7、石墨還能防止鍋爐結垢，有關單位試驗表明，在水中加入一定量的石墨粉(每噸水大約用4~5 克)能防 止鍋爐表面結垢。此外石墨塗在金屬煙囪、屋頂、橋樑、管道上可以防腐防銹。 8、石墨可作鉛筆芯、顏料、拋光劑。
石墨烯規格：
1.單層石墨烯
單層石墨烯（Graphene）：指由一層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子構成的一種二維碳材料。
2.雙層石墨烯
雙層石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由兩層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛， AA'堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
3.少層石墨烯
少層石墨烯（Few-layer）：指由3-10層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
4.多層或厚層石墨烯
多層或厚層石墨烯（multi-layer graphene）：指厚度在10層以上10nm以下苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛， ABA堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
使用產業：
- 光電
- 能源儲存
- 綠能發電
- 環境生醫感測
- 功能性複合材料等
- 透明導電薄膜
- 生化感測器
- 超級電容器
- 鋰離子電池
- 高頻電子元件
- 光感測器
- 水質純化
- 高效能導熱片
石墨根據其結晶不同，分為：
晶質石墨(鱗片)和隱晶質石墨(土狀)兩類。
它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導熱係數高達5300W/m·K，高於碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s，又比納米碳管或矽晶體高，而電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。
石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強100倍，甚至還要超過鑽石。
主要應用： 石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應可以通過實驗來驗證，例如電子無視障礙、實現幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質的物理性質。 因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，石墨烯也有著全新的電學屬性。
石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。 在塑料裡摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎上可以研製出薄、輕、拉伸性好和超強韌新型材料，用於製造汽車、飛機和衛星。
隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產業化應用步伐正在加快，基於已有的研究成果，最先實現商業化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。
消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的發展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。 有數據顯示2013年全球對手機觸摸屏的需求量大概在9.65億片。
到2015年，平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達到2.3億片，為石墨烯的應用提供了廣闊的市場。 韓國三星公司的研究人員也已製造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，相信大規模商用指日可待。
另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。 之前美國麻省理工學院已成功研製出表面附有石墨烯納米塗層的柔性光伏電池板，可極大降低製造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產業的發展。 由於高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也是極為突出的。
前不久美國NASA開發出應用於航天領域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發揮更重要的作用。 石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾。
人們發現，石墨烯具有非同尋常的導電性能，超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的出現有望在現代電子科技領域引發一輪革命。 在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統的半導體和導體，例如矽和銅遠沒有石墨烯表現得好。
由於電子和原子的碰撞，傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費了72%-81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非比尋常的優良特性。
石墨烯具有完美的二維晶體結構，它的晶格是由六個碳原子圍成的六邊形，厚度為一個原子層。 碳原子之間由σ鍵連接，結合方式為sp2雜化，這些σ鍵賦予了石墨烯極其優異的力學性質和結構剛性。 在石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的p電子，這些p電子可以在晶體中自由移動，且運動速度高達光速的1/300，賦予了石墨烯良好的導電性。 石墨烯是新一代的透明導電材料，在可見光區，四層石墨烯的透過率與傳統的ITO薄膜相當，在其它波段，四層石墨烯的透過率遠遠高於ITO薄膜。
因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由於石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來製造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。 石墨烯電子能帶結構石墨烯電子能帶結構 以獨立碳原子為基，將周圍碳原子產生的勢作為微擾，可以用矩陣的方法計算出石墨烯的能級分佈。在狄拉克點（Dirac Point）附近展開，可得能量與波矢呈線性關係（類似於光子的色散關係），且在狄拉克點出現奇點（singularity）。這意味著在費米麵附近，石墨烯中電子的有效質量為零，這也解釋了該材料獨特的電學等性質。
石墨烯特性：
1） 耐高溫型：石墨的熔點為3850±50℃，沸點為4250℃，即使經超高溫電弧灼燒，重量的損失很小， 熱膨脹係數也很小。石墨強度隨溫度提高而加強，在2000℃時，石墨強度提高一倍。
2） 導電、導熱性：石墨[2]的導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導 熱係數隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。
3） 潤滑性：石墨的潤滑性能取決於石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦係數越小，潤滑性能越好。
4） 化學穩定性：石墨在常溫下有良好的化學穩定性，能耐酸、耐鹼和耐有機溶劑的腐蝕。
5） 可塑性：石墨的韌性好，可年成很薄的薄片。
6） 抗熱震性：石墨在常溫下使用時能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變 化不大，不會產生裂紋。
1、作耐火材料: 石墨及其製品具有耐高溫、高強度的性質，在冶金工業中主要用來製造石墨坩堝，在煉 鋼中常用石墨作鋼錠之保護劑，冶金爐的內襯。
2、作導電材料: 在電氣工業上用作製造電極、電刷、碳棒、碳管、水銀正流器的正極，石墨墊圈、電話 零件，電視機顯像管的塗層等。
3、作耐磨潤滑材料: 石墨在機械工業中常作為潤滑劑。潤滑油往往不能在高速、高溫、高壓的條件下使 用，而石墨耐磨材料可以在 200~2000 ℃溫度中在很高的滑動速度下，不用潤滑油工作。
許多輸送 腐蝕介質的設備，廣泛採用石墨材料製成活塞杯，密封圈和軸承，它們運轉時勿需加入潤滑油。石墨乳 也是許多金屬加工(拔絲、拉管)時的良好的潤滑劑。
4、石墨具有良好的化學穩定性。經過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導熱性好，滲透率低等特點，就大 量用於製作熱交換器，反應槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵設備。廣泛應 用於石油化工、濕法冶金、酸鹼生產、合成纖維、造紙等工業部門，可節省大量的金屬材料。
5、作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料: 由於石墨的熱膨脹係數小，而且能耐急冷急熱的變化，可作為 玻璃器的鑄模，使用石墨後黑色金屬得到鑄件尺寸精確，表面光潔成品率高，不經加工或稍作加工就可 使用，因而節省了大量金屬。生產硬質合金等粉末冶金工藝，通常用石墨材料製成壓模和燒結用的瓷舟 。單晶矽的晶體生長坩堝，區域精煉容器，支架夾具，感應加熱器等都是用高純石墨加工而成的。此外 石墨還可作真空冶煉的石墨隔熱板和底座，高溫電阻爐爐管，棒、板、格棚等元件。
6、用於原子能工業和國防工業: 石墨具有良好的中子減速劑用於原子反應堆中，鈾一石墨反應堆是應用 較多的一種原子反應堆。作為動力用的原子能反應堆中的減速材料應當具有高熔點，穩定，耐腐蝕的性 能，石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應堆用的石墨純度要求很高，雜質含量不應超過幾十個PPM 。特別是其中硼含量應少於0.5PPM 。在國防工業中還用石墨製造固體燃料火箭的噴嘴，導彈的鼻錐，宇 宙航行設備的零件，隔熱材料和防射線材料。
7、石墨還能防止鍋爐結垢，有關單位試驗表明，在水中加入一定量的石墨粉(每噸水大約用4~5 克)能防 止鍋爐表面結垢。此外石墨塗在金屬煙囪、屋頂、橋樑、管道上可以防腐防銹。 8、石墨可作鉛筆芯、顏料、拋光劑。
石墨烯規格：
1.單層石墨烯
單層石墨烯（Graphene）：指由一層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子構成的一種二維碳材料。
2.雙層石墨烯
雙層石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由兩層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛， AA'堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
3.少層石墨烯
少層石墨烯（Few-layer）：指由3-10層以苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。
4.多層或厚層石墨烯
多層或厚層石墨烯（multi-layer graphene）：指厚度在10層以上10nm以下苯環結構（即六角形蜂巢結構）週期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛， ABA堆垛等）堆垛構成的一種二維碳材料。