石墨烯在熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)方面，都能發(fā)揮自己的特性。所以石墨烯的制備和生產(chǎn)技術(shù)能夠直接影響到很多行業(yè)。

　　歸納分析石墨烯的各類功能，將來運用的領(lǐng)域?qū)謴V闊，首要集中在電子行業(yè)及化工行業(yè)，尤其是在電子行業(yè)的鋰電池電極、觸摸屏、超級電容領(lǐng)域和化工行業(yè)的涂層、保險、吸附、淡化領(lǐng)域等。

　　復(fù)合材料領(lǐng)域

　　1. 抗靜電塑料

　　通常，高分子材料表面電阻率大于1 012 Ω·cm， 抗靜電包裝材料要求表面電阻率為107～1 011 Ω·cm，通常使用碳黑作抗靜電劑，填充的質(zhì)量分數(shù)高達15%，對塑料制品的力學(xué)性能、表面光潔度有劣化影響。此外，碳黑易從基體中析出，從而造成電子器件短路等問題。因此，業(yè)界一直在嘗試使用具有更高導(dǎo)電性能的納米碳材料(如碳納米管)作為抗靜電劑，可以將石墨烯抗靜電塑料母粒作為研發(fā)方向。

　   2. 電纜屏蔽樹脂

　　隨著國家輸配電等級的提高，尤其是電動汽車的快速發(fā)展，電網(wǎng)電流穩(wěn)定性降低，電纜中過氧化物的放熱和局部放電問題日益突出。石墨烯擁有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和高比表面積，建議研究機構(gòu)重點開展電纜屏蔽樹脂中石墨烯的添加比例、均勻分散等研究。利用研發(fā)和生產(chǎn)機構(gòu)重點解決加工成型等難題，快速形成專利，并在電纜加工和生產(chǎn)企業(yè)推廣應(yīng)用。

　　3. 合成橡膠添加劑

　　美國Vorbeck Materials公司開發(fā)了“Vor-x”石墨烯導(dǎo)電添加劑，在橡膠中添加質(zhì)量分數(shù)為4%的“Vor-x”石墨烯，其導(dǎo)電率達到0.3 S/m。同時，石墨烯擁有極高的硬度，在橡膠中加入適宜比例石墨烯，可有效提高輪胎耐磨性，降低滾動阻力。

　　4. 抗拉伸改性樹脂

　　石墨烯作為添加劑在樹脂中的應(yīng)用還有很多，如聚丙烯母粒/石墨烯、聚丙烯片材/石墨烯、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維/石墨烯等。歐洲Nano Masterd的項目組負責人表示，添加質(zhì)量分數(shù)為5%的石墨烯能把熱塑性聚烯烴和聚丙烯的性能增強1倍，把質(zhì)量分數(shù)為1%的石墨烯與聚甲基丙烯酸甲酯混合，復(fù)合材料的拉伸彈性模量提高80%。石墨烯增強的熱塑性復(fù)合材料和色母粒能適應(yīng)現(xiàn)有生產(chǎn)，為注塑、擠出和吹膜大批量生產(chǎn)零部件賦予新的特性。美國OvaTIon Polymers公司已經(jīng)推出了石墨烯熱塑性色母料和復(fù)合母料。此外，廈門凱納石墨烯技術(shù)有限公司開發(fā)了導(dǎo)電石墨烯微片，聚碳酸酯中添加質(zhì)量分數(shù)為10%的石墨烯微片就可達到導(dǎo)電級別;與添加質(zhì)量分數(shù)為10%的超導(dǎo)炭黑(價格為20多萬元/t)性能相當。美國XG Science公司也提供導(dǎo)電石墨烯微片產(chǎn)品。

　　應(yīng)用領(lǐng)域

　　1. 導(dǎo)電油墨

　　導(dǎo)電油墨是用導(dǎo)電材料制成的油墨，具有一定程度導(dǎo)電質(zhì)，可作為印刷導(dǎo)電點或?qū)щ娋€路之用。近年來在手機、玩具、薄膜開關(guān)、太陽能電池、遠紅外發(fā)熱膜以及射頻識別技術(shù)等行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。過去數(shù)十年，導(dǎo)電油墨最大的下游是太陽能電池以及顯示器件。未來包括觸摸傳感器及其電極、RFID以及電子紙張的應(yīng)用也將同時保持增長。

　　石墨烯導(dǎo)電油墨具有強大優(yōu)勢，發(fā)展前景看好。導(dǎo)電油墨屬于填充型復(fù)合材料，是印刷與燒結(jié)處理后具有導(dǎo)電性能的油墨。石墨烯應(yīng)用在油墨的優(yōu)勢主要有兩點：一是兼容性強，石墨烯油墨可在塑料薄膜、紙張及金屬箔片等多種基材上實現(xiàn)印刷;二是性價比高，與現(xiàn)有的納米金屬導(dǎo)電油墨相比，石墨烯油墨具有較大的成本優(yōu)勢。

　　2. 傳感器

　　石墨烯因其獨特的二維結(jié)構(gòu)在傳感器中有廣泛的應(yīng)用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性等特點，能提升傳感器的各項性能。主要用于氣體、生物小分子、酶和DNA 電化學(xué)傳感器的制作。新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)出了敏感度是普通傳感器1000 倍的石墨烯光傳感器;美國倫斯勒理工學(xué)院研制出性能遠超現(xiàn)有商用氣體傳感器的廉價石墨烯海綿傳感器。

　　3. 生物材料

　　石墨烯類材料在生物領(lǐng)域有著多方面的應(yīng)用，其中氧化石墨烯可以制成納米抗菌材料，抗菌性源于其對大腸桿菌細胞膜的破壞。由于其具有豐富的材料來源，這種新型的晶體材料有望在環(huán)境檢測和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　2010年3月，國家納米科學(xué)中心方英課題組和美國哈佛大學(xué)Lieber課題組合作首次成功制備石墨烯與動物心肌細胞的人造突觸的相關(guān)研究結(jié)果，此次合作建立了一維、二維納米材料與細胞相結(jié)合的獨特研究體系，將為生物電子學(xué)的研究帶來新的機遇。由于石墨烯還具有毒性低、比表面積大等優(yōu)異性能，在藥物載體方面蘊含著潛在的應(yīng)用價值。Hu等采用一步合成法制備了普郎尼克PF127/石墨烯復(fù)合物，可以有效負載阿霉素，負載率可達到289%，并且在生理溶液中具有很高的穩(wěn)定性和分散性。

　　4. 儲能材料

　　石墨烯在能源存儲方面也有著舉足輕重的作用，氫能一直以來都被看作是非常優(yōu)質(zhì)的能源，但由于它的密度低、易爆炸的特點，儲氫材料一直是人們研究的熱點，石墨烯類材料的出現(xiàn)將在氫能存儲中得到廣泛的應(yīng)用。希臘大學(xué)研究人員Froudakis等設(shè)計了新型3D碳材料，當這種新型碳材料摻雜了鋰原子時，石墨烯柱的儲氫量可達到6.1%(質(zhì)量分數(shù))。Ataca等[22]利用第一性原理平面波法得到石墨烯被鈣原子摻雜后儲氫量可到達8.4%(質(zhì)量分數(shù))，鈣原子會留在石墨烯表面，有利于循環(huán)使用。Chen等利用二維石墨烯片摻雜鈀納米顆粒后再混合活性炭受體，用作儲氫材料。實驗證明，這種材料在10MPa下儲氫量為0.82%(質(zhì)量分數(shù))，比不含石墨烯的鈀材料提升了49%，而且此材料的吸附是高度可逆的。

　　5. 鋰電池

　　石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用比較多元化，目前已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的是用在正極材料中作為導(dǎo)電添加劑，來改善電極材料的導(dǎo)電性能，提高倍率性能和循環(huán)壽命。目前比較成熟的應(yīng)用是將石墨烯制成導(dǎo)電漿料用于包覆磷酸鐵鏗等正級材料。正極用包覆漿料目前主要包括石墨漿料、碳納米管漿料等，隨著石墨烯粉體、石墨烯微片粉體量產(chǎn)、成本持續(xù)降低的情況下，石墨烯漿料將呈現(xiàn)更好的包覆性能。石墨烯漿料將隨鋰電池增長而穩(wěn)步上升。鋰離子電池主要應(yīng)用于手機、筆記本電腦、攝像機等便攜式電子器件等方面，并積極地向電動力汽車等新能源汽車領(lǐng)域擴展，具有長期發(fā)展前景。

　　6. 半導(dǎo)體材料

　　石墨烯被認為是替代硅的理想材料，大量有實力的企業(yè)均開展了石墨烯半導(dǎo)體器件的研發(fā)。韓國成均館大學(xué)開發(fā)出了高穩(wěn)定性n型石墨烯半導(dǎo)體，可以長時間暴露在空氣中使用。美國哥倫比亞大學(xué)研發(fā)出石墨烯-硅光電混合芯片，在光互連和低功率光子集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。IBM 的研究人員開發(fā)出了石墨烯場效應(yīng)晶體管，其截止頻率可達100GHz，頻率性能遠超相同柵極長度的最先進硅晶體管的截止頻率(40GHz)。

　　國外對石墨烯的研究展望總結(jié)

　　1. 利用石墨烯膜可以將鹽從海水中分離

　　地球表面大部分被水所覆蓋，但是由于大量的鹽的存在，使得我們很難將它當做飲用水的來源。為了解決這個問題，曼徹斯特大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種可擴展的、孔徑大小均勻的氧化石墨烯薄膜，它可以過濾掉極其微小的鹽顆粒，而不過多影響水的流動。

　　由于石墨烯膜被淹沒在水中時會變得膨脹起來，它不能過濾掉那些極其微小的普通鹽離子。為此，他們找到一個通過物理方式來控制薄膜在水中膨脹程度的方法。該方法使它們比普通鹽離子的孔徑更小，從而過濾掉不想要的鹽、顆粒和分子。與此同時，這種薄膜仍然允許水流十分順利地通過。

　　從長遠來看，有研究小組指出，調(diào)整孔徑大小以過濾特定離子的基本思想可以應(yīng)用于不同的薄膜，也有著不同的用途。

　　2. 變形或破裂時可變色的石墨烯涂層可檢測裂紋

　　德國萊布尼茲聚合物研究所研究團隊開發(fā)了一種石墨烯涂層，它在變形或破裂時可改變顏色。例如，機翼和其他飛機部件可以產(chǎn)生微小的裂紋，當受到突然的壓力時，可能會導(dǎo)致故障。在這項新的努力中，研究人員已經(jīng)開發(fā)了一種這種材料的涂層，這將使檢查員更容易發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致故障的微小裂紋。

　　通過使用特殊的沉積方法重疊具有有序和無序特征的石墨烯納米片(GNP)，實現(xiàn)了獨特的“魚鱗”結(jié)構(gòu)。通過精細平行多層膜的機械調(diào)諧觀察到可變結(jié)構(gòu)著色。 此外，結(jié)合可變結(jié)構(gòu)著色和電氣感測功能的方法，使用幾種顏色來解決“交通燈”中的危險報警和安全性系統(tǒng)，他們?yōu)椴牧瞎收锨暗奈ｋU等級和微裂紋的早期警告帶來了第一個有價值的步驟。

　　3. 石墨烯光電晶體管有望用于光學(xué)技術(shù)

　　石墨烯是一種薄碳層，可應(yīng)用于光電方面，研究人員正在努力研發(fā)石墨烯光電探測器，這些器件對許多技術(shù)都至關(guān)重要。然而，由石墨烯制成的典型光電探測器僅僅能小面積感應(yīng)光，因而也限制了其性能。

　　目前，研究人員通過將石墨烯與相對質(zhì)量較大的碳化硅材料相結(jié)合，研制出了可被光激活的石墨烯場效應(yīng)晶體管，因而解決了這個問題。”高性能光電探測器可應(yīng)用于諸多方面，包括天體物理學(xué)高速通信、超靈敏攝像機、感測應(yīng)用、可穿戴電子設(shè)備等。另外石墨烯晶體管陣列會帶來高分辨率成像和顯示。未來研究方向主要包括探索諸如閃爍體、天體物理學(xué)成像技術(shù)和高能輻射傳感器等。

　　4. 石墨烯有望促進神經(jīng)細胞再生

　　一種非常規(guī)的工程技術(shù)也許能夠克服神經(jīng)再生的障礙。來自愛荷華州立大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出了一種利用噴墨打印機的納米技術(shù)，這種技術(shù)可以生成多層石墨烯電路。這種技術(shù)的最終結(jié)果有望將間質(zhì)干細胞(形成骨、軟骨和脂肪細胞)轉(zhuǎn)化為施旺細胞，這種細胞在促進神經(jīng)細胞的康復(fù)中起著多種作用。

　　在一份聲明中，共同第一作者、愛荷華州的生物化學(xué)工程博士后研究員Metin Uz說，“這項技術(shù)可能會獲得一個更好的方法來分化干細胞。” 然而，改進這種方法可能會影響體內(nèi)受損神經(jīng)的修復(fù)方式。

　　根據(jù)該團隊的研究結(jié)果，可以得出結(jié)論：“靈活的石墨烯電極可以適應(yīng)損傷部位，并為神經(jīng)細胞再生提供了直接的電刺激，這些結(jié)果為體內(nèi)神經(jīng)再生鋪平了道路。”

       石墨烯的研究還在繼續(xù)，石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣泛，石墨烯有望在醫(yī)學(xué)等行業(yè)都發(fā)揮自己的作用。