伟星集团石墨烯研发项目简介
1、石墨烯在复合材料上的应用
石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。作为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。
图1 A理想单层石墨烯晶体结构示意图，B悬浮单层石墨烯微观的皱折和波纹状起伏示意图。
石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石。石墨烯的强度高、导电和导热性能好等性能决定了石墨烯在复合材料领域有着很大的应用潜力。
结合现有的技术条件及伟星集团基于新材料的发展计划，我们主要着手石墨烯材料两方面的研究，一是石墨烯电磁屏蔽材料开发及快速加热智能建筑板材的应用，二是石墨烯-尼龙纳米复合材料的开发及高强丝应用。这两个项目目前处于开发阶段。
2、石墨烯电磁屏蔽材料及快速加热智能建筑板材
电磁屏蔽材料应用背景
当代电子信息技术的发展和电子产品的普及，在满足人们生活需要的同时，使得电磁波在人们日常生活中广泛存在。电磁波辐射造成了电磁污染、电磁干扰、泄密等棘手问题，妨碍了电子信息工业高速发展，同时对人类的身体健康也造成了不良影响。因此，电磁屏蔽材料具有很大的应用前景。
传统的金属屏蔽材料屏蔽效果好，但密度大、价格高、柔性差；高分子复合金属及碳黑等导电材料易加工、密度低，但其屏蔽效果低；高分子泡沫复合材料具有超低密度，但其屏蔽效果更低。随着柔性电子器件及高精尖器件的发展对高性能的电磁屏蔽材料要求越来越高。高性能的电磁屏蔽材料的要求主要有：高效屏蔽、质量轻、柔性好。因此，我们利用石墨烯材料开发了一种具有高效屏蔽、质量轻、柔性好的石墨烯膜。该材料在低频区（1GHz-3GHz）屏蔽效能达到95-100dB，密度为0.02g/cm3，可以任意弯折，为目前已知材料中综合屏蔽效果最好的材料。
2.1石墨烯膜的制备
图2 石墨烯膜制备工艺过程
如图2所示是石墨烯膜的制备工艺过程。首先是氧化石墨烯的制备，具有液晶状的氧化石墨烯溶液经过石墨氧化制备的，然后将具有一定浓度的氧化石墨烯溶液浇注成膜后，再经过高温处理得到石墨烯膜。该制备工艺可制备大尺寸的石墨烯膜。
2.2、石墨烯膜的电磁屏蔽性能
图3 石墨烯膜的电磁屏蔽性能测试图
从图3中可以看出制备的石墨烯膜在1-3GHz频率范围，屏蔽效能是一个波动的趋势，基本上在90-110 dB之间，完全可以满足在高精尖的仪器及高要求的军工领域的应用。并且该石墨烯膜的密度只有0.02g/cm3，而金属铜的密度为8.8g/cm3。
2.3、石墨烯膜的结构表征
图4 石墨烯膜截面的扫描电镜图
从图4中可以看出，所制备的石墨烯膜具有有序层状多孔结构。而且层状间的石墨烯片具有极薄的厚度，从图中可以看到片层上的褶皱，这些微观褶皱与单层石墨烯或少层石墨烯的结构及其相似，为材料的性能提供了好的证明。同时可以说明这种多孔结构赋予了材料以轻质高效屏蔽的性能。
2.4快速加热智能建筑板材
图5 石墨烯材料的实时红外温度变化及曲线图（电压25V）
图5显示在输入电压为25V时，温度在25秒内从20度快速增加至130度，升温速率快，并且在30秒后保持在138度。
表1 石墨烯和金属铜材料的导热性能表
从表1中可以看出，相对于传统的金属铜材料，我们制备的石墨烯材料具有轻质高导热的性能。
图6 快速加热智能材料结构设计图
随着智能时代的推进，快速加热智能材料在未来新型的建筑装饰及速热智能衣服，如地热板、墙面等等，具有加热快速、简洁、维修方便的特点，将会有很大的市场前景。
3、石墨烯-尼龙纳米复合材料的开发及高强丝应用
尼龙6是重要的工程塑料，可加工成锦纶纤维、制成各种机械零部件、各种薄膜等，并广泛应用在国民经济的各个部门。尼龙-6切片随着质量和指标的不同，有不同的侧重应用领域。
在高强尼龙纤维方面，国内与杜邦、巴斯夫等国外大公司相差较大。而且高强尼龙纤维的应用方向很大，比如在高性能轮胎帘子布有500-600亿元的市场应用前景。因此基于石墨烯高强高模量的特性以及与尼龙良好的相容性和协调效应，开发具有高强尼龙纤维材料。
3.1 石墨烯-尼龙纳米复合材料的制备
图中是我们制备的石墨烯-尼龙复合粒料（图7）及挤出的测试样条（图8）。通过原位聚合将石墨烯和尼龙聚合而成。该方法具有一次成型，节能的效果，非常适合工业化生产。
3.2 石墨烯-尼龙纳米复合材料的性能
表2材料的力学性能
从表2中可以看出，与纯的尼龙基材相比，所制备的石墨烯-尼龙纳米复合材料屈服强度最高可以提高31.1%，可以达到68.98MPa，而且弹性模量可以高达0.612GPa。结果表明，石墨烯-尼龙纳米复合材料在制备高性能材料方面是非常有效的。是我们接下来制备高强尼龙纤维及高强耐磨尼龙复合管道的重要依据。
3.3 石墨烯-尼龙纳米复合材料抗熔滴性
表3 材料的抗熔滴性
从表3中可以看出，尼龙6的开始滴落时间是很早的，而且滴落速度远远大于石墨烯-尼龙纳米复合材料。而石墨烯-尼龙纳米复合材料的滴落时间较晚，且滴落速度慢。结果表明，石墨烯在纳米复合材料中起到阻燃的作用，这在防火等级要求较高的场所里将会有很大的应用市场。
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