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          中科鋼研節能科技有限公司
          CISRI-ZHONGKE ENERGY CONSERVATION AND TECHNOLOGY CO.,LTD

          龍陵國宏科能石墨烯碳納米管項目

          23/05.2018

           

          項目背景

          1.3.1 碳納米管材料、石墨烯材料、電熱膜材料優勢明顯

           

          (1)碳納米管

                 碳納米管,又名巴基管,是一種具有特殊結構(徑向尺寸為納米量級,軸向尺寸為微米量級,管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。

           

                 碳納米管作為一維納米材料,重量輕,六邊形結構連接完美,具有許多異常的力學、電學和化學性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應用前景也不斷地展現出來。

           

                 碳納米管具有良好的力學性能,CNTs抗拉強度達到50~200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6,至少比常規石墨纖維高一個數量級;它的彈性模量可達1TPa,與金剛石的彈性模量相當,約為鋼的5倍。對于具有理想結構的單層壁的碳納米管,其抗拉強度約800GPa。碳納米管的結構雖然與高分子材料的結構相似,但其結構卻比高分子材料穩定得多。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復合材料, 可使復合材料表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性,給復合材料的性能帶來極大的改善。

           

                 碳納米管的硬度與金剛石相當,卻擁有良好的柔韌性,可以拉伸。在工業上常用的增強型纖維中,決定強度的一個關鍵因素是長徑比,即長度和直徑之比。材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1,而碳納米管的長徑比一般在1000:1以上,是理想的高強度纖維材料。2000年10月,美國賓州州立大學的研究人員稱,碳納米管的強度比同體積鋼的強度高100倍,重量卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級纖維”。

           

                 此外,碳納米管的熔點是已知材料中最高的。

           

                 碳納米管具有良好的導電性能,由于碳納米管的結構與石墨的片層結構相同,所以具有很好的電學性能。

           

                 碳納米管具有良好的傳熱性能,CNTs具有非常大的長徑比,因而其沿著長度方向的熱交換性能很高,相對的其垂直方向的熱交換性能較低,通過合適的取向,碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導材料。另外,碳納米管有著較高的熱導率,只要在復合材料中摻雜微量的碳納米管 ,該復合材料的熱導率將會可能得到很大的改善。

           

                 碳納米管還具有光學等其他良好的性能。

           

                 碳納米管可以制成透明導電的薄膜,用以代替ITO(氧化銦錫)作為觸摸屏的材料。先前的技術中,科學家利用粉狀的碳納米管配成溶液,直接涂布在PET或玻璃襯底上,但是這樣的技術至今沒有進入量產階段;目前可成功量產的是利用超順排碳納米管技術;該技術是從一超順排碳納米管陣列中直接抽出薄膜,鋪在襯底上做成透明導電膜,就像從棉條中抽出紗線一樣。該技術的核心-超順排碳納米管陣列是由北京清華-富士康納米中心于2002年率先發現的新材料。

           

                 碳納米管觸摸屏首次于2007~2008年間成功被開發出,并由天津富納源創公司于2011年產業化,至今已有多款智慧型手機上使用碳納米管材料制成的觸摸屏。與現有的氧化銦錫(ITO)觸摸屏不同之處在于:氧化銦錫含有稀有金屬“銦”,碳納米管觸摸屏的原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氫氣體,不受稀有礦產資源的限制;其次,鋪膜方法做出的碳納米管膜具有導電異向性,就像天然內置的圖形,不需要光刻、蝕刻和水洗的制程,節省大量水電的使用,較為環保節能。工程師更開發出利用碳納米管導電異向性的定位技術,僅用一層碳納米管薄膜即可判斷觸摸點的X、Y座標;碳納米管觸摸屏還具有柔性、抗干擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性,可以制做出曲面的觸摸屏,具有高度的潛力可應用于穿戴式裝置、智慧家俱等產品。

           

                 據物理學家組織網、英國廣播公司2013年9月26日報道,美國斯坦福大學的工程師在新一代電子設備領域取得突破性進展,首次采用碳納米管建造出計算機原型,比基于硅芯片模式的計算機更小、更快且更節能。

           

                 利用碳納米管的性質可以制作出很多性能優異的復合材料。例如用碳納米管材料增強的塑料力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、屏蔽無線電波。使用水泥做基體的碳納米管復合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高,不易對環境造成影響。碳納米管增強陶瓷復合材料強度高,抗沖擊性能好。碳納米管上由于存在五元環的缺陷,增強了反應活性,在高溫和其他物質存在的條件下,碳納米管容易在端面處打開,形成一個管子,極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基復合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數小、抵抗熱變性能強。

           

          (2)石墨烯材料

                 實際上石墨烯本來就存在于自然界,只是難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來就是石墨,厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯,因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯常見的粉體生產的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法,薄膜生產方法為化學氣相沉積法(CVD)。由于其十分良好的強度、柔韌、導電、導熱、光學特性,在物理學、材料學、電子信息、計算機、航空航天等領域都得到了長足的發展。

           

                 作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,石墨烯被稱為“黑金”,是“新材料之王”,科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。

           

                 石墨烯最重要的性質之一就是它獨特的載流子特性和無質量的狄拉克費米子屬性。其電子遷移率可達到2×105cm2/V·s,約為硅中電子遷移率的140倍,砷化鎵的20倍,溫度穩定性高,電導率可達108Ω/ m,面電阻約為31Ω/sq(310Ω/m2),比銅或銀更低,是室溫下導電最好的材料。比表面積大(2630m2/g),熱導率(室溫下是5000W·m-1·K-1)是硅的36倍,砷化鎵的20倍,是銅(室溫下401W·m·K)的十倍多。極高的強度與柔韌性,室溫下最好的導電導熱性使得石墨烯成為ITO(氧化銦錫)的理想替代材料,并在柔性導電薄膜材料方面有重要應用。

           

                 化學氣相沉積法即(CVD)是使用含碳有機氣體為原料進行氣相沉積制得石墨烯薄膜的方法。這是目前生產石墨烯薄膜最有效的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質量高的特點,但現階段成本較高,工藝條件還需進一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄,因此大面積的石墨烯薄膜無法單獨使用,必須附著在宏觀器件中才有使用價值,例如觸摸屏、加熱器件等。

           

          石墨烯的主要應用:

                 隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破,石墨烯的產業化應用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先實現商業化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。

           

          基礎研究

                 石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義,它使得一些此前只能在理論上進行論證的量子效應可以通過實驗經行驗證。在二維的石墨烯中,電子的質量仿佛是不存在的,這種性質使石墨烯成為了一種罕見的可用于研究相對論量子力學的凝聚態物質——因為無質量的粒子必須以光速運動,從而必須用相對論量子力學來描述,這為理論物理學家們提供了一個嶄新的研究方向:一些原來需要在巨型粒子加速器中進行的試驗,如今可以在小型實驗室內用石墨烯進行。

           

                 石墨烯還具有所謂的量子霍爾效應,這種諾貝爾獎量級的重要效應以往是要在極低溫下才能顯現的,石墨烯卻能將它帶到室溫下。

           

          晶體管

                 石墨烯可以用來制作晶體管,由于石墨烯結構的高度穩定性,這種晶體管在接近單個原子的尺度上依然能穩定地工作。相比之下,目前勇挑大梁的以硅為材料的晶體管在10nm左右的尺度上就會失去穩定性;石墨烯中電子對外場的反應速度超快這一特點,又使得由它制成的晶體管可以達到極高的工作頻率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布將石墨烯晶體管的工作頻率提高到了100GHz,超過同等尺度的硅晶體管

           

          新能源電池

                 新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。美國麻省理工學院已成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板,可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本,這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外,石墨烯超級電池的成功研發,也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題,極大加速了新能源電池產業的發展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業的應用鋪就了道路。

           

          航空航天

                 由于高導電性、高強度、超輕薄等特性,石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也是極為突出的。前不久美國NASA開發出應用于航天領域的石墨烯傳感器,就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發揮更重要的作用。

           

          感光元件

                 2013年,新加坡南洋理工大學學者,研發出了一個以石墨烯作為感光元件材質的新型感光元件,可望透過特殊結構,讓感光能力比現有CMOS或CCD提高上千倍,而且損耗的能源也僅需原本10%。

                 這項技術將被應用在監視器與衛星成像領域中,不久的將來可以應用于照相機、智能手機等。

           

          復合材料

                 基于石墨烯的復合材料是石墨烯應用領域中的重要研究方向, 其在能量儲存、液晶器件、電子器件、生物材料、傳感材料和催化劑載體等領域展現出了優良性能, 具有廣闊的應用前景。目前石墨烯復合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復合材料和石墨烯基無機納米復合材料上,而隨著對石墨烯研究的深入, 石墨烯增強體在塊體金屬基復合材料中的應用也越來越受到人們的重視

           

          (3)電熱膜

                 電熱膜分為高溫、低溫電熱膜。高溫電熱膜一般用于電子電器、軍事等,如今科技生產的電熱膜。低溫電熱膜是一種通電后能發熱的半透明聚酯薄膜,由可導電的特制油墨、金屬載流條經加工、熱壓在絕緣聚酯薄膜間制成。工作時以電熱膜為發熱體,將熱量以輻射的形式送入空間,使人體和物體首先得到溫暖,其綜合效果優于傳統的對流供暖方式。低溫輻射電熱膜系統由電源、溫控器、連接件、絕緣層、電熱膜及飾面層構成。電源經導線連通電熱膜,將電能轉化為熱能。由于電熱膜為純電阻電路,故其轉換效率高,除一小部分損失(2%),絕大部分(98%)被轉化成熱能。

           

                 電熱膜不能直接用于地面輻射供熱,需要外加專利的PVC真空封套,才能用于地面采暖,保證使用效果和壽命。

           

                 電熱膜發展潛力巨大,符合低碳經濟發展趨勢。電熱膜采暖方式不耗水、不占地、開關自主,節能節材,符合減排低碳的政策導向,發展前景廣闊。有專家預言,該技術標準的推出不僅意味著環保經濟的電熱膜采暖將更快走進千家萬戶,而且意味著電熱膜采暖產業的振興,意味著采暖行業低碳式發展春天的來臨。

           

                 自從中華人民共和國建筑工業行業標準《低溫輻射電熱膜》發布實施暨標準化示范基地授牌儀式新聞發布會”在北京舉行后,并于2011年1月1日開始正式實施,頂級媒體中國之聲對正式實施的《低溫輻射電熱膜》進行了特別的報道,稱其為我國電熱膜行業第一個產品性能標準,單位為標準化示范基地。電熱膜采暖具有不耗水、節能、節地、省材、環保、任意開關調節、便于分戶計量等優點、符合低碳方向。

           

           

          • 02實驗室共建
          • 01商業計劃書
          • 03技術驗證
          • 04產品融資
          • 05成立項目公司
          • 07項目建設
          • 06上市發展

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