石墨烯入门：关键形态、性能与前沿应用全解析

2004年，曼彻斯特大学（英国曼彻斯特）研究者用胶带从石墨剥离出单层碳原子层，首次分离表征石墨烯。其发现者Andre Geim和Kostya Novoselov因此获2010年诺贝尔物理学奖。十年后，石墨烯增强复合应用（从芳纶纳米纤维增强超级电容器用于电动汽车电池，到航空航天复合工具及低温压力容器）持续占据头条。据石墨烯委员会执行总监Terrance Barkan称，石墨烯商业化进程过去几年显著加速。仅过去12个月，就有逾2300项石墨烯相关专利获批。

石墨烯被誉为“神奇材料”，以其卓越力学性能、高昂成本和供应链不成熟著称。因此，石墨烯委员会等业界机构助力复合材料专业人士重新审视石墨烯本质及其在复合应用中的潜力。

形态与性能

石墨烯是二维平面片层，碳原子以稠密蜂窝晶格键合。最纯形式仅单原子层厚，但也可制备达10层以上的多层片层。

制备路径主要有二：一是从石墨等原料剥离单层碳；二是化学气相沉积（CVD），从甲烷等气态原料在衬底沉积碳层。CVD产出最薄单层石墨烯；复合应用用的大体量多层石墨烯多从石墨剥离得来。

2010年诺奖颁发后，据Barkan称，企业和实验室涌入开发石墨烯应用，因其被证实为目前最强、最硬、最薄材料。

复合材料中，石墨烯通常作为树脂基体等添加剂，增强电热导率、耐久性、柔韧性、刚度、抗紫外、减重、阻燃等性能。Barkan特别指出，石墨烯还能降低层间剪切失效、消除复合层压板微观开裂、提升冲击韧性/耐冲击性。“简直像魔法。”他总结。

Barkan指出石墨烯固有可持续性：可从生物柴油废料等回收石墨烯，其耐久性延长材料/产品寿命；且石墨烯为纯碳，避免树脂基体中其他化学品/添加剂的潜在毒性。

石墨烯形态分类

最终产品形态首取决于碳层数。Barkan称，“原生”石墨烯仅单原子层，但市场上10层以内碳层材料仍称石墨烯。典型分类：极少层石墨烯（vFLG，1-3层）、少层石墨烯（FLG，2-5层）、多层石墨烯（MLG，2-10层）、石墨烯纳米片（GNP，多层石墨烯片层堆叠）。

除层数外，商业形态还包括：石墨烯氧化物（GO，含碳氧氢化合物）、还原石墨烯氧化物（rGO，含氧少碳多）、石墨烯粉末/溶液/膏体、石墨烯纳米片（厚度1-3纳米，横向尺寸100纳米-100微米）、功能化石墨烯（在片层表面/边缘引入元素）。如Haydale（英国安曼福德）的等离子体处理石墨烯，据其全球市场主管Gemma Smith称，有助防止分散入树脂时团聚。

通常层数越少价格越高。石墨烯委员会数据：1-2层石墨烯每平方米高达10万美元（商业形态远低于此），多层石墨烯每公斤50-1500美元。Barkan称，许多复合应用中，多层石墨烯或石墨烯纳米片性能已足够。并指出石墨烯分子极小，全包裹于树脂中，制造过程中无“脱落”或“游离”风险。

石墨烯分散方法多样：功能化、复合、多种溶剂表面活性剂。Barkan指出，分散方法仍是商业化障碍，许多应用难以理解执行。

据Barkan，复合应用中，多层纳米片（1-5纳米厚）黑粉末通常混入液态树脂或固化剂。与许多添加剂不同，石墨烯添加量极少即达预期性能——常低于1 wt%，甚至0.1 wt%以下。部分企业将石墨烯加入纤维浆料，甚至织入纤维——如某些尼龙纤维供应商已如此做。

“石墨烯几乎可用于任何塑料、树脂、溶剂。”Barkan说。包括热塑性塑料，石墨烯通常在熔融混炼阶段掺入热塑性颗粒。石墨烯-热塑性结合可提高树脂使用温度并延长寿命。

供应商与应用

Barkan称，目前声称供应石墨烯的公司超200家，约80%为实验室规模小操作。估计约30家工业规模生产商在运营，新企业频繁入场。下列为石墨烯委员会会员商业供应商：

市场与应用：从运动用品到太空

石墨烯委员会识别出45大应用领域，涵盖半导体、涂料、橡胶——复合材料目前是石墨烯最大用户。

复合行业内，终端市场从运动用品到航空航天再到3D打印，商业化程度不一。XG Sciences（美国密歇根兰辛）CEO Philip Rose称，石墨烯市场仍在成熟，尤其在复合行业。

“市场随时间涌现增长。新材料商业化‘始于少数低量应用，继而多应用低量，随后部分增至中量，极少达高量’。石墨烯在复合领域仍处‘少数低量应用’阶段。原因可能是供应链、功效等，我认为本质是成熟度问题……需要时间和教育。”

Rose指运动用品业是石墨烯增强复合材料首个主要采用者。“运动用品市场不仅受益于石墨烯性能属性，还有营销属性。大家都想要‘最新最强’材料。”石墨烯成为新宠后，高端运动装备（曲棍球杆、高尔夫球、滑雪板、网球拍）快速测试其价值。Barkan称部分石墨烯复合运动产品已达批量生产。

“通常运动用品采用新材料后，工业市场跟进，范围可很广。”Rose续称，XG Sciences现有客户多用石墨烯提升包装性能或塑料瓶可回收性，不限于复合材料。

汽车领域也见石墨烯增强复合成功案例：石墨烯可用更少材料增强强度和抗冲击，减轻部件重量。如XG Sciences与福特汽车（美国密歇根迪尔伯恩）合作石墨烯增强聚氨酯泡沫，改善福特F-150和野马车型部件的耐久性、噪振声（NVH）和重量。2019年8月，英国豪华跑车公司Briggs Automotive Co.（BAC，利物浦）宣布其Mono R单座超跑所有车身面板采用100%石墨烯增强碳纤维复合材料（用Haydale功能化石墨烯），Barkan认为这预示汽车业更多机会。

航空航天看重抗冲击和轻量化。Rose称“潜力巨大，但应用尚未大规模提升”。石墨烯增强复合飞机部件全认证尚未达成，但多款演示件已发布或在研。如欧盟资助的Graphene Flagship联盟（23国150+合作伙伴）2018年宣布开发石墨烯增强复合水平尾翼前缘用于空客A350。合作伙伴空客、Aernnova、Grupo Antolin-Ingenieria报告演示件力学热性能提升，使前缘更薄更轻且保持所需性能。该联盟还推进石墨烯用于飞机除冰、汽车、电池等项目。

电导率是航空航天另一潜在优势。2019年11月，Haydale推出石墨烯增强预浸料用于防雷击保护，称功能化石墨烯材料适用于结构件电导率提升及航空电子设备外壳。

航天领域，石墨烯缓解复合层压板微观开裂特性，适用于航天发射器燃料/氧化剂储存复合压力容器，如Infinite Composites Technology（ICT，美国俄克拉荷马塔尔萨）今年发布的丝绕球形全复合低温储罐。

Barkan称复合工具应用被忽视。石墨烯增强复合工具优势：工具寿命更长、散热更好。近例：SHD Composites Ltd.（英国斯利福德）联合Composite Tooling and Engineering Solutions Ltd.（CTES，英国马特洛克）和Applied Graphene Materials（AGM，英国雷德卡-克利夫兰）开发原型工具材料。AGM石墨烯纳米片增强的演示件CFRP自动铺丝（AFP）芯模工具展现低成本高性能航空部件工具潜力。团队正推进非高压釜（OOA）工艺及热塑性复合原型工具开发。

实验层面，Barkan称石墨烯正测试增强复合风机叶片，其高冲击表面和轻量化需求适合引入石墨烯。Smith补充Haydale也看好石墨烯在风机叶片增强电导率防雷击的潜力。

迈向全面商业化

“神奇材料”下一步？Barkan预测未来十年内石墨烯全面商业化。“正向动能强劲。”Rose称，“仍处发现期，但将从刻意设计行动起步，汽车业周期长，运动用品较快……随供应链健全、功效认知深入，将自我驱动。”

“我认为所有行业都在争用石墨烯，因为我们已学会如何用、哪里能改进，得益于曼彻斯特大学等机构大量针对不同应用的研究。……行业正与大航天、大航空、大汽车公司理性对话，因此石墨烯在复合材料中的应用将增长。没理由不增长。”Smith补充。

同时研究持续填补认知空白。如石墨烯委员会联合Composites One（美国伊利诺伊阿灵顿海茨）、曼彻斯特大学、Huntsman（美国德克萨斯伍德兰兹）、Chromaflo（美国俄亥俄阿什塔比拉）协调项目，在同一树脂体系中测试不同形态石墨烯。项目用石墨烯纳米片、石墨烯氧化物、还原石墨烯氧化物、功能化石墨烯，各按1%、0.5%、0.1% wt掺入通用树脂体系（Huntsman Araldite GY 282环氧树脂，因广泛通用）。从8家公司获取不少于14种样品材料，每种材料体系制备：纯树脂、仅石墨烯、石墨烯+玻纤、石墨烯+碳纤维四类试件。测试含冲击韧性、抗拉强度、弯曲模量、层间剪切。Barkan称：“这是首次第三方独立同条件对比不同公司不同类型石墨烯，用完全相同树脂体系和测试。石墨烯委员会计划公开发布结果。”

“真诚邀请大家以全新视角审视石墨烯，”Barkan结语，“因为质量变了（较十年前），价格变了，处理技术进步了。有验证案例、有例子、正在商业化。值得关注。”