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石墨烯分为石墨烯粉体和石墨烯薄膜两大类。常见的石墨粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法。石墨烯薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。
一、石墨烯粉体生产方法
1、机械剥离法
机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动,得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单,得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构。
2、氧化还原法
氧化还原法是通过使用硫酸、硝酸等化学试剂及高猛酸钾、双氧水等氧化剂将天然石墨氧化,增大石墨层之间的间距,在石墨层与层之间插入氧化物,制得氧化石墨。然后将反应物进行水洗,并对洗净后的固体进行低温干燥,制得氧化石墨。通过物理剥离、高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离,制得氧化石墨烯。后通过化学法将氧化石墨烯还原,得到石墨烯。
这种方法操作简单,产量高,但是产品质量较低 。氧化还原法使用硫酸、硝酸等强酸,以及使用大量的水进行清洗,带大较大的环境污染。
3、SiC外延法
SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下,使硅原子升华脱离材料,剩下的C原子通过自组形式重构,从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯,但是这种方法对设备要求较高。
二、石墨烯薄膜生产方法
CVD是使用含碳有机气体为原料进行,气相沉积制得石墨烯薄膜的方法。这是目前生产石墨烯薄膜有效的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点,但现阶段成本较高,工艺条件还需进一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄,因此大面积的石墨烯薄膜无法单独使用,必须附着在宏观器件中才有使用价值,例如触摸屏、加热器件等。
石墨烯目前有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。
另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是小的气体原子(氢原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。
作为目前发现的薄、强度大、导电导热性能强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之首”。