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摘要：石墨烯因其独特的结构，使其具备一般材料不能比拟的优势。将石墨烯材料与陶瓷融合在一起，进行复合材料的研究，可以改善陶瓷的性能，脆性和导电性均能得到很大的提升。本文对石墨烯在陶瓷中的应用和发展趋势进行分析，便于更好地分析石墨烯在陶瓷行业中的应用发展。
关键词：石墨烯 陶瓷 发展现状
1引言
随着科学技术的进步，新型材料不断被发现和应用。自2004年科学家安德烈海姆利用胶带制备出石墨烯，之后因其独特的性能优势，使得石墨烯材生物、能源、材料方面得到广泛的研究。陶瓷行业中的石墨烯研究目前还处于早期研究，但从目前陶瓷技术的需求来看，石墨烯应用到传统的陶瓷行业是十分具有前景的。将石墨烯与传统的陶瓷行业相结合，是一次伟大的技术革新，对于陶瓷产业的发展具有深远的意义。
2石墨烯的结构性质与制备方法概述
近年来，碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域。自2004年经过机械剥离法制备石墨烯材料以来，碳纳米材料更深一步地吸引了全世界的眼球。石墨烯是由碳原子sp2杂化，以正六边形为元胞的蜂窝状二维晶格。因石墨烯具有高载流子迁移率、高导热性、高透光性及强度高等优点，使其在众多领域具有广泛的应用前景。目前，在电子芯片、电池、高导热塑料等领域都见到石墨烯的身影。由于石墨烯的独特单层电子结构，使其在热、电、光等领域具备优良的特性。
石墨烯的制备方法主要有剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法等，其中应用前景最广的方法是化学气相沉积法。化学气相法制备石墨烯需要将石墨烯依附在金属衬底上，因此金属的基底选择十分关键。2009年，Li首次在铜箔表面采用化学气相法制备了单晶占比95%的厘米级石墨烯样品，并且同时证明了该过程属于吸附自限制成长方式，即石墨烯的层数可以控制并且能够保持单一。
石墨烯的制备方法剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法中剥离法分为机械剥离法和化学剥离法。机械剥离法是应用最为简单的方式，制备的石墨烯质量也相对较高，主要用在高品质石墨烯应用领域，但此过程中制备的石墨烯的面积相对较小，且整个过程产率低，石墨烯的层数不可控。化学剥离法制备过程中同时存在过程不可控的情况，并且在制备过程中需要大量使用强酸强碱性物质，不仅不环保，还会破坏石墨烯的整个结构。氧化还原法制备的石墨烯过程可控，且成本较低，可大量制备。但此方法在制备过程中会破坏石墨烯的结构，导致制备的成品石墨烯缺陷较多，质量较差，对于制备面积大的石墨烯存在困难。化学气相法是指将碳源物质在高温作用下，发生裂解释放碳原子，碳原子在金属基底上重新杂化，生成石墨烯。该方法可以制备高品质的石墨烯成品，并且整个过程可控，石墨烯的层数可以达到均一可控。化学气相法是目前最为发展前景的制备石墨烯的方法。
3石墨烯及其在陶瓷中的研究现状
目前，国内外对于石墨烯的研究主要集中在石墨烯改性聚合物方面，对于石墨烯纳米材料的研究很少，而石墨烯陶瓷材料的研究则更少。相关实验表明，碳纳米管、一维碳纤维等传统材料与陶瓷复合时，在陶瓷基中难以均一分散，而石墨烯则不会出现此种情况，石墨烯的优良特殊结构，可以明显提升石墨烯陶瓷材料的机械、电学和热力学性能，陶瓷的脆性和绝缘性能够得到完全的改变，最终获得一种特殊的陶瓷复合材料。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于石墨烯复合材料而言，因为其工艺操作复杂繁琐，目前只局限于相关的研究方面，而实际的应用鲜有报道。下面将对石墨烯在陶瓷中的研究现状进行综述介绍。
美国MONIKER通过掺了石墨烯改善陶瓷的导电性和机械性能，开发出石墨烯陶瓷材料，它们运用了SPS使得氧化铝和氧化石墨烯的容易得到均化，放电等离子烧结技术可以快速将其烧成陶瓷材料，从实验数据来看，添加0.22%的石墨烯可以将陶瓷的抗拉强度提升50%,导电性能提升近108倍。
四川盛世东方陶瓷有限公司将石墨烯应用在瓷砖上，制备出石墨烯地暖瓷砖，其制备方法是首先在陶瓷背面周边贴上切割瓷砖边条，然后在形成的内腔中填入石墨烯电极板及防水连接线，然后通过聚氨酯发泡工艺，使得聚氨酯能够充满整个腔体，最后通过喷砂来封闭瓷砖背面。此复合结构通过石墨烯电极板发热传递到瓷砖表面，从而实现瓷砖发热的功能。
另外，还有通过氧化石墨烯为载体，钛酸异丙酯为前驱体，运用超临界乙醇良好的分散性和还原性，制备晶形完整的锐钛矿/石墨烯纳米复合材料，结果表明：二氧化钛颗粒规则且能够均匀分散，平均粒径8.24nm，在太阳能电池、催化剂等领域将能起到重要作用。
天津大学李亚利等将氧化石墨烯作为前驱体，按照比例混合氧化锆陶瓷粉，成型后再通过原位烧结技术获得石墨烯和氧化物陶瓷的复合材料。此复合材料中纳米片层石墨烯能够均匀分散在陶瓷基体中构建网络复合结构，增强陶瓷的整体结构，同时改变其导热和导电性能。
4石墨烯及其在陶瓷中的发展趋势
石墨烯在全球范围都引起了高度关注，依据产品属性，石墨烯产业被分为上游、中游与下游三大块。
(1)石墨烯的原材料产业
我国石墨储量是世界总储量的33%，居世界第二。另外，我国是目前世界上第一大石墨生产国、出口国和销售国。目前，中国探明的石墨矿山有194座，从以上信息可以看出，石墨烯的原材料供应还是十分充足的，这对整个石墨烯市场及其应用化非常有利。
(2)石墨烯的生产加工业
世界石墨烯因为技术不成熟和成本高等限制，至今中国石墨烯行业还未能实现产业化，国家政策体系也在逐渐完善，但按照当前市场预估，国内石墨烯产业化会迅速得到发展。
(3)石墨烯及其在陶瓷中的应用
从石墨烯在陶瓷中的应用研究角度出发，对于石墨烯陶瓷复合材料的性质会受到原料选择、成分配比、制备方法和工艺参数等的影响，所以，需加强以下方面的研究：拓展石墨烯陶瓷复合材料的种类和应用范围，优化石墨烯陶瓷复合材料的制备方法，研究石墨烯和陶瓷间互相作用所产生的独特性质。
5结语
石墨烯不论是研究还是应用，都表现出了极大意义与价值，并在很多领域取得了相关成就。墨烯在陶瓷材料中的应用总体而言更还是处于起步阶段，石墨烯在陶瓷中的应用只是众多应用渠道中的一种，希望将来可拓宽其可实际应用的领域。
参考文献
石墨烯/二氧化钛陶瓷薄膜的制备及其摩擦学性能研究[D]. 东华大学, 2017.
范宇驰, 王连军, 江莞. 基于石墨烯的结构功能一体化氧化物陶瓷复合材料:从制备到性能[J]. 无机材料学报, 2018, 33(2):138-145.
李川, 张小娜. 石墨烯材料的制备方法和中国石墨烯产业现状[J]. 中国陶瓷, 2018, 54(4):9-13.
论文作者:孙绍庆1 杨杰2
论文发表刊物:《科技新时代》2019年3期
论文发表时间:2019/5/9
标签：石墨论文; 陶瓷论文; 复合材料论文; 结构论文; 化学论文; 瓷砖论文; 气相论文; 《科技新时代》2019年3期论文;