石墨烯是什么？有何作用与特点？
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石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成。
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石墨烯因为其特殊的结构，具有很多突出的性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。
（1）力学性能。
石墨烯是目前已知的世界上最薄的材料（0.34nm），也是有史以来被证实的最结实的材料，强度可达130GPa，约为世界上最好的钢材的100多倍，且杨氏模量达1.054-1.060TPa。它具有极好的弹性，可被拉伸至自身尺寸的120%，如果用石墨烯制成包装袋，虽然质量极轻，但它将能承受大约2t的物品。石墨烯的硬度比莫氏硬度10级的金刚石还要高，却具有很好的韧性（可弯曲性），迄今很少有材料能够同时具备这两种性质。
（2）电磁性能。
电子在石墨烯中传输的阻力很小，在亚微米距离移动时没有散射，具有很好的电子传输性质，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。最新的研究表明，石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率（15000cm2·V-1·s-1），也是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2 倍，因此有预言称，石墨烯将成为硅的替代品，从而改变人类的生活。除此之外，石墨烯还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。
（3）热学性能。
石墨烯具有极强的导热性能，单层石墨烯的热导率可达5000 W/m·K，是室温下纯金刚石的3倍，金属铜的12倍。
（4）透光性能。
石墨烯还具有优良的透光性能，光子透过率高97.4%，其理论比表面积高达2630 m2·g-1。
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石墨烯的快速导热特性与快速散热特性，使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料，广泛用于智能手机、平板电脑、大功率节能LED照明、超薄LCD电视等散热。除高导热性之外，石墨烯还有其他优异的理化特性，因此下游应用广泛。例如，导电性高，可应用在集成电路、导电剂、传感器和锂电等领域；比功率高，可作为超级电容和储能元件；柔性强，弯折不影响性能，可作为柔性材料用于曲面屏和可穿戴设备；具有高透光率，可用于透明导电薄膜。
石墨烯产品形态包括薄膜和粉体两类，石墨烯粉体的应用领域包括：
（1）锂电池正负极材料的导电添加剂，可以提高充放电速度和循环性能；
（2）超级电容的电极材料，储能活性强且循环性能优良；
（3）特征涂料，作为添加剂掺杂在防腐涂料、散热涂层和导电涂层中改善涂料性能；
（4）高效催化剂，应用于能源化工领域。
石墨烯薄膜的应用领域包括：
（1）导热膜，用于智能手机和平板电脑等的散热层；
（2）柔性显示，用于柔性显示屏和可穿戴设备等领域；
（3）传感器材料，用于可穿戴设备、医疗和环境监测等领域；
（4）集成电路基础材料，用于超级计算机、高频芯片和精密电子元件等领域。
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石墨烯的相关研究从1994年开始出现，2004年英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功分离出石墨烯，并于2010年诺贝尔物理学奖。近年来，石墨烯研究持续走热，专利数量不断增加，同时产业化进程也在不断推进。石墨烯的上游包括石墨等资源、设备和系统等，下游应用领域包括导热、导电、柔性显示屏和油墨涂料等，中游有石墨烯粉体和石墨烯薄膜两种产品形态。
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石墨烯制备方法主要可以分为为“自上而下”和“自下而上”两类方法。“自上而下”法是以石墨为原料，通过剥离的方法来制备石墨烯层，如：机械剥离法，氧化还原法，液相剥离等；“自下而上”法是通过碳原子的重新排列来合成石墨烯，如：化学气相沉积法，外延生长法，有机合成法等。目前，比较主流的石墨烯制备方法有氧化还原法、化学气相沉积法、液相剥离法和外延生长法。
不同制备方法获得的石墨烯在品质和成本上差别较大，相应产品的适用领域也有差异。上述四种石墨烯制备方法中，最常采用的是氧化还原法和化学气相沉积法。此外，也有少部分企业探索应用SiC外延生长法或液相剥离法进行石墨烯量产。
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中国石墨资源丰富，其基础储量占世界总储量的24%左右，2016年石墨基础储量达到了7321.51万吨，其中已探明晶质石墨的储量达到了3亿吨。中国石墨的产量也位居世界前列，2017年中国石墨的产量已经达到了78万吨。随着石墨烯的研究进步，现在很多石墨烯相关产品已经开始准备商业化进程，石墨烯产业可能进入快速发展的阶段，市场正逐步扩大，2021中国石墨烯市场规模将达到1026亿元。
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作者：行行查
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石墨烯是什么？是骗局还是未来黑科技？
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