Grafen, et enkelt lag med karbonmolekyler orkestrert i et sekskantet tverrsnitt, har revolusjonert materialvitenskapen med sine uvanlige mekaniske, elektriske og varme egenskaper. Blant de forskjellige formene, grafenfilmer,konstruerte strukturer bestående av grafen eller grafenavledede materialer, har blitt fleksible platformer for applikasjoner som strekker seg fra enheter til energikapasitet. Denne artikkelen undersøker tre forskjellige former for grafenoppvarmingsfilmer, hver preget av sin forbindelsesmetode, tilleggsegenskaper og nyttige egenskaper. Ved å se på kjemisk damputveksling (CVD) grafenfilmer, grafenoksid (GO)-filmer og komposittgrafenfilmer.

CVD-dyrkede grafenfilmer: Høyrenhets monolags- og flerlagsstrukturer

①Syntese via kjemisk dampavsetning

Kjemisk damptest (CVD) er den viktigste strategien for å lage grafenfilmer av høy kvalitet, spesielt de som krever konsistens og minimale utslipp. Prosedyren innebærer å eksponere et katalytisk metallsubstrat (vanligvis kobber eller nikkel) for hydrokarbongasser (som metan) ved høye temperaturer (800–1100 °C). Under disse forholdene brytes hydrokarbonpartikler ned, og frigjør karboniotaer som diffunderer over metalloverflaten og selvaggregaterer seg til et enkelt lag med grafen. For flerlagsfilmer blandes håndtaket med kontrollerte kjølehastigheter for å aktivere lag-for-lag-fremstilling. Etter syntese byttes grafenfilmen ofte ut med et målsubstrat (f.eks. silisiumdioksid, polymerer) ved å skjære ut metallkatalysatoren, slik at filmen beholder sin sekundære integritet.

②Strukturelle og funksjonelle attributter

CVD-dyrkede grafenfilmer er verdsatt for sin høye krystallinitet og moo-deformitetstykkelse, noe som resulterer i uvanlig elektrisk ledningsevne (opptil 10⁶ S/m) og varm ledningsevne (omtrent 5000 W/m·K). Monolags-CVD-filmer er molekylært magre (0.34 nm), men viser eksepsjonell mekanisk kvalitet, med en Youngs modulus som overstiger 1 TPa. Flerlagsfilmer, som er litt tykkere (hvert ekstra lag inneholder ~0.34 nm), beholder de fleste av disse egenskapene samtidig som de gir økt holdbarhet, noe som gjør dem egnet for applikasjoner som krever gjentatt mekanisk trykk. Gjennomsiktigheten deres, vanligvis 97.7 % for monolag, bidrar til økt nytteverdi i optoelektroniske enheter.

③Nøkkelapplikasjoner innen avansert teknologi

Fordelene og utførelsen av CVD-grafenfilmer gjør dem perfekte for høyteknologiske applikasjoner. I enheter fungerer de som enkle ledende katoder i fleksible skjermer, og erstatter indiumtinnoksid (ITO) på grunn av deres utbredte fleksibilitet og lavere følsomhet over tid. I energisystemene forbedrer de effektiviteten til solcellepaneler ved å forbedre lysretensjon og ladningsbærertransport. Dessuten har deres biokompatibilitet ført til bruk i biomedisinske sensorer, hvor de identifiserer lave konsentrasjoner av biomolekyler med høy følsomhet. Til tross for deres preferanser forblir CVD-filmer relativt dyre å levere i stor skala, noe som begrenser utvalget deres i kostnadssensitive bransjer. CVD-produsert grafenfilmer snakker om gullstandarden for høyytelsesapplikasjoner, men blandingskompleksiteten og den høye belastningen de har hatt har drevet utviklingen av valgfrie former. Den fremste blant disse er grafenoksidfilm, et løsningsbearbeidbart stoff som prioriterer fleksibilitet og rimelighet fremfor renhet.

Grafenoksidfilmer: Løsningsbearbeidbare og kjemisk justerbare strukturer

①Syntese fra grafittoksid

Grafenoksid (GO)-filmer er utledet fra grafittoksid, produsert ved kjemisk oksidasjon av grafitt ved bruk av faste oksidasjonsmidler (f.eks. svovelsyre, kaliumpermanganat). Denne metoden legger oksygenholdige, nyttige bindinger (hydroksyl, epoksy, karboksyl) på grafittlagene, noe som svekker mellomlagsbindinger og muliggjør nedbrytning til personlige GO-ark ved hjelp av ultralydbehandling i vann eller naturlige løsemidler. GO-filmer formes deretter ved å lagre disse væske- eller løsemiddelbaserte spredningene på substrater ved hjelp av metoder som rotasjonsbelegg, dråpestøping eller vakuumfiltrering, etterfulgt av tørking for å fjerne væskenivået. Denne løsningsbaserte tilnærmingen muliggjør generering av store områder på en del av den brukte mengden CVD-filmer.

②Kjemisk allsidighet og strukturell tilpasningsevne

I motsetning til CVD-grafen er GO-filmer elektrisk beskyttet på grunn av forstyrrelser i sp²-karbonnettet av oksygengrupper. Denne kjemiske nytten er imidlertid en viktig fordel: de utilitaristiske gruppene muliggjør enkel endring gjennom kjemiske responser, som reduksjon (for å forme redusert grafenoksid, rGO) eller funksjonalisering med polymerer, metaller eller biomolekyler. Reduksjon, oppnådd gjennom varme, kjemiske eller fotokjemiske stoffer, gjenoppretter sp²-nettet noe, og gjør rGO-filmer ledende (10²–10⁴ S/m), men mindre enn CVD-grafen. GO-filmer er også dypt hydrofile, noe som gjør dem kompatible med vannbasert behandling, og deres lagdelte struktur tillater kontrollert porøsitet, noe som er nyttig i filtreringsapplikasjoner.

③Praktisk bruk i industri- og forbrukerprodukter

GO-filmenes rimelighet og prosesserbarhet gjør dem passende for en rekke mekaniske applikasjoner. I vannbehandling muliggjør deres permeable, funksjonaliserte struktur effektiv fjerning av overskytende metaller og naturlige giftstoffer. Som grensefilmer gir de god gass- og væskeugjennomtrengelighet når de oppbevares på polymerer, noe som øker levetiden til matpakker. I energikapasitet fungerer rGO-filmer som katoder i superkondensatorer, og fremmer høy kapasitans på grunn av deres store overflateareal. Kundeprodukter, som ledende blekk for trykt maskinvare og korrosjonsbestandige belegg for metaller, bruker også GOs justerbare egenskaper.

Selv om GO er mindre ledende enn CVD-filmer, gjør dens fleksibilitet og evne til å ta på seg en toll det avgjørende i en rekke kommersielle sammenhenger. Grafenoksidfilmer overgår forventningene i applikasjoner som krever kjemisk justerbarhet og lavkostnadsproduksjon, men deres elektriske og mekaniske hindringer har drevet frem utvikling i en tredje form: kompositt. grafenfilmer, som kombinerer grafen med andre materialer for synergistisk å forbedre ytelsen.

Komposittgrafenfilmer: Synergistiske multimaterialekompositter

①Komposisjons- og fabrikasjonsstrategier

Komposittgrafenfilmer koordinerte grafen (eller GO/rGO) med andre materialer, polymerer, metaller, keramikk eller karbonnanorør, for å løse manglene ved rene grafenfilmer. Produksjonsmetoder varierer basert på gitterstrukturen: polymerkompositter formes ofte ved å blande grafenspredning med polymersammensetninger, deretter støpt eller utstøtt; metallkompositter kan inkludere elektroavsetning av metaller på grafensubstrater; og keramiske kompositter kan syntetiseres gjennom sol-gel-former. Målet er å lage et materiale der grafen forbedrer matrisens egenskaper (f.eks. konduktivitet, kvalitet) mens gitteret forbedrer grafens bearbeidbarhet eller stabilitet. For eksempel øker tilsetning av grafen til polyimidfilmer varmeledningsevnen uten å gi avkall på fleksibilitet, mens tilsetning av grafen i kobberfilmer forbedrer elektrisk konduktivitet og erosjonsmotstand.

②Synergistiske forbedringer av egenskapene

Komposittgrafenfilmer koordinerte grafen (eller GO/rGO) med andre materialer, polymerer, metaller, keramikk eller karbonnanorør, for å løse manglene ved rene grafenfilmer. Produksjonsmetoder varierer basert på gitterstrukturen: polymerkompositter formes ofte ved å blande grafenspredning med polymersammensetninger, deretter støpt eller utstøtt; metallkompositter kan inkludere elektroavsetning av metaller på grafensubstrater; og keramiske kompositter kan syntetiseres gjennom sol-gel-former. Målet er å lage et materiale der grafen forbedrer matrisens egenskaper (f.eks. konduktivitet, kvalitet) mens gitteret forbedrer grafens bearbeidbarhet eller stabilitet. For eksempel øker tilsetning av grafen til polyimidfilmer varmeledningsevnen uten å gi avkall på fleksibilitet, mens tilsetning av grafen i kobberfilmer forbedrer elektrisk konduktivitet og erosjonsmotstand.

③Bred industriell adopsjon og skalerbarhet

Kompositt grafenfilmer har funnet vidtrekkende bruk i bedrifter på grunn av deres justerte ytelse og allsidighet. Innen bildesign forsterker de lette materialer som karbonfiber, noe som øker den generelle skarpheten samtidig som det reduserer drivstofforbruket. Innen luftfart fungerer de som varmebestandige belegg for flykomponenter, og utnytter deres varmebestandighet. Forbrukerutstyr drar nytte av bruken deres i batterikatoder, der grafen-silisiumkompositter øker energitykkelsen med 30–40 % sammenlignet med tradisjonelle grafittkatoder. Utviklingssektoren bruker grafen-sementkompositter for å forbedre betongs seighet, redusere splitting og øke strukturens levetid. I motsetning til rene grafenfilmer kan kompositter produseres ved hjelp av eksisterende produksjonsutstyr, noe som senker grensene for utvalg og muliggjør storskalaproduksjon til konkurransedyktige priser.

Konklusjon

De tre formene av grafenfilmer, CVD-dyrket, grafenoksid og kompositt, tilbyr hver spesielle fokuspunkter som dekker utmerkede applikasjonsbehov. CVD-filmer skiller seg ut for sin høye styrke og ytelse, noe som gjør dem grunnleggende i avansert maskinvare- og energiutvikling. Grafenoksidfilmer prioriterer rimelighet og kjemisk tilpasning, og driver frem utviklingen innen vannbehandling, pakking og trykt maskinvare. Komposittfilmer, gjennom synergistisk materialeintegrasjon, bygger bro mellom ytelseshull, noe som muliggjør omfattende mekanisk bruk innen bil, luftfart og utvikling. Sammen fremhever disse formene grafens fleksibilitet som et nyttig materiale, med kontinuerlig spørsmål om hvordan man kan øke funksjonaliteten og redusere produksjonskostnadene. Etter hvert som forståelsen av egenskapene deres øker, er grafenfilmer kombinert for å spille en stadig viktigere rolle i neste generasjons teknologier og generelle produkter. 

Shengxihong Vitenskap og Innovasjon Co., Ltd. skaper, produserer og tilbyr følgende produkter: grafen-badstue, grafen-kuldebestandig klimaanlegg, grafen-elektrisk varmefilm, grafen-elektrisk varmebelegg, grafen-elektrisk radiator, grafen-treningsklær, grafen-elektrisk trekk og grafen-bilvarmepute under merkenavnet «Shengxihong». Alle produktene som er registrert for salg har uavhengige immaterielle rettigheter og lisenser. Selskapet har fått 17 grafen-utstillingslisenser og vunnet mer enn 30 privilegerte sertifikater på alle nivåer. Kontakt e-post: 1315363763@qq.com.

Referanser

• Geim, AK, og Novoselov, KS (2007). «Grafenets fremvekst.» Nature Materials, 6(3), 183–191.
• Li, X., et al. (2009). «Storskala syntese av høykvalitets og ensartede grafenfilmer på kobberfolier.» Science, 324(5932), 1312–1314.
• Stankovich, S., et al. (2006). «Syntese av grafenbaserte nanosjikt via kjemisk reduksjon av eksfoliert grafittoksid.» Carbon, 45(7), 1558–1565.
• Zhang, M., et al. (2018). «Grafenbaserte komposittfilmer: Fremstilling, egenskaper og anvendelser.» Progress in Materials Science, 93, 331–372.
• International Graphene Institute. (2021). «Standarder og retningslinjer for karakterisering av grafenfilm.» University of Manchester Press.