市场和目标客户取决于以石墨烯为基础的产品,例如透明导电薄膜、显示屏、复合材料、涂料、电池、生物医学、超级电容器、黏合剂、过滤器、催化剂、纺织品、传感器等。在此会列举一些可能即将开始生产以石墨烯为基础的产品的公司。
9.2.3.1 汽车工业
自动化工业需要催化剂、温控材料、自洁涂料以及保护和耐磨涂料。据此,目标客户是陶氏化学和杜邦公司。
目前正努力生产价格更低廉、强度更高的石墨烯纸。石墨烯纸是通过热处理而合成得来的,并且具备极高的抗弯刚度和好的力学性能。石墨烯纸比钢轻4/5~5/6,但硬度比钢要高出2倍,拉伸强度高出10倍,抗弯刚度则是钢材的13倍。该石墨烯纸也同样能用于航空工业。因为其重量更轻,所以更省油。
9.2.3.2 电子工业
三星、IBM、诺基亚等企业将会是透明导体、热管理材料、显示屏以及印制电子产品的目标客户。
9.2.3.3 航空航天工业
航空航天工业对结构监测材料、阻燃材料、导电和防结冰涂料等已显示出强烈兴趣。同样,杜邦和BASF公司是该领域的优质目标客户。
目前,所有航空航天工业的目标公司将减轻飞机重量,由此制造出能节省耗油量的飞机。此外,材料除要保持其坚固性和防裂性外,还需要能承受较大的温差(-50~50℃)。为实现该目标,Polygraph已对用于复合材料、涂料和黏合剂的石墨烯增强热固性聚合物进行规模化生产。而石墨烯增强热固性聚合物则满足这些要求。使用环氧树脂黏合剂将有利于要求更高耐热性的航空发动机零件。这种先进涂料预计将降低成本。为实现这些目标,Polygraph组成了一个合作伙伴团,具体如下:
·Net compositesLtd开发新型复合材料。
·伊迈雷斯(Imerys)石墨和碳原料公司供应新型石墨。
·一家名为“Avanzare innovacion tecnologica S.L.”的西班牙公司对石墨烯进行合成。
·YTRON Process Technology GmbH & Co.KG设计高效转子/定子技术等。
·帕多瓦大学(University of Padova)、伦敦玛丽皇后大学(Queen Mary Uni-versity of London)以及耐驰精研磨技术有限公司(Netzsch Feinmahltechnik Gm-bH)成为合作者的原因在于其材料的基本表征(即借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜、红外光谱、动态机械分析仪、热重分析仪、紫外可见吸收光谱和X射线衍射对产品进行检测,定义聚合物以及开发剥离和分散技术)。
·Saireem Sas作为一家专业微波公司,也同Polygraph进行合作,为生产石墨烯开发微波辅助生产技术,并且也为微波/微波等离子工艺提供电磁硬件。
·Robnor Resins是一家专业的环氧树脂和聚氨酯树脂出产厂商。该公司将提供配方。
·菲亚特技术研究中心(Centro Ricerche FIAT)致力于传播与开发汽车和航空交通业的活动。
9.2.3.4 能源业
能源业已逐渐成为购买以石墨烯为基础的材料的大客户,用于生产蓄能器、太阳能电池以及过滤器。在此,客户名单包括巴斯夫股份公司(BASF)、拜耳公司(Bayer)和陶氏化学公司(Dow Chemical)。
角斗士财团,包括来自七个欧洲国家的成员,将其重点放在以石墨烯为基础的储能材料的商业化上。该财团包括八家企业以及六所大学和研究所。
石墨烯电池和电极已显示出许多先进之处。西北大学的研究人员已于2011年合成了一种石墨烯电极,它将锂电池的蓄电量增加了10倍,充电快10倍且更持久。电池阳极由石墨烯片组成,在上面打上许多ϕ10~ϕ20nm的小孔,且在两个石墨烯片中间会引入硅簇。在石墨烯片上打小孔的优点在于锂离子无需在每个石墨烯层的外部边缘进行传送,而是在石墨烯上已打好的小孔中直接传送。Vor-beck Material开发生产了石墨烯锂电池。2013年,总部位于密歇根州的XG Sci-ences公司也已开发出一种用石墨烯做阳极的锂电池,这比传统电池的蓄电量高四倍。该公司得到了来自美国能源部的财政支持。
石墨烯超级电容器公司发现石墨烯是一种最有希望实现高性能超级电容器的材料,因为以石墨烯为基础的超级电容器显示出高稳定性,并提升双层电容器的电学性能,以及在高电流密度下保持快速充放电和高能量密度,这一点归功于增强了离子电解质与深层区域的接触性。最近一项突破是加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员开发出了微型石墨烯超级电容器。他们将硅簇插入石墨烯片的每层之间。不言而喻,电子设备的小型化是目前的大势所趋。此外,将硅簇插入石墨烯片的每层之间还有另一个优点。纯石墨烯只可携带1个锂原子/6个碳原子,而每个硅原子可支承4个锂原子。因此,电池阳极的蓄能量更大,可以储存30000mA·h而非3000mA·h的电量。已证明它的充电时间也有所增强,15min即可充满电而非2h。然而,目前尚无使用石墨烯的超级电容器投入市场。
莱斯大学的研究人员正努力生产3D超级电容器。2014年12月,他们宣布通过使用其设计的激光诱导石墨烯(LIG),生产出了3D超级电容器。在激光诱导石墨烯加工过程中,一束由计算机控制的激光烧蚀一种聚合物以生产出一种适用于电子产品或蓄能器的柔性、定型多层石墨烯片。通过在每个聚合物片的两面用镭射光烧蚀石墨烯,他们已制造出了超级电容器。该部分同中间的固态电解质进行堆加以获得一个多层构造的微型超级电容器。他们准备将其尺寸放大,用于商业应用。因为他们发现与锂离子电池相比,同样尺寸的LIG超级电容器有3倍的动力性能(能量流动速度)。此外,LIG超级电容器是柔性的,且能在常温下的户外制成而不需要特殊的环境。LIG超级电容器必定能用于多种柔性电子产品。
另一项则是加拿大公司Lomiko Metals和Graphene ESD之间的合作。这两家公司共同努力开发成本低廉的以石墨烯为基础的超级电容器。这种电容器能承受很高的放电电流并且可作为电子产品、电动车和电力网的万能储能电容器。
石墨烯在能源业的另一项应用是改进版风力发电机。与使用碳纳米管材料相比(由伦斯勒理工学院提出)将石墨烯以该复合材料重量的0.1%的比例添加至环氧复合材料中能大大增加其强度。因此,现今这些复合材料因其超轻、超强性能而用于风车叶片上。据估计,将石墨烯应用于风力发电机技术中对于海上风力发电机而言可有效控制住成本。(www.daowen.com)
9.2.3.5 石墨烯太阳能电池
因石墨烯具有高导电性、透明、薄并且涂在硅薄膜上性能保持不变的特性,亥姆霍兹中心硅太阳能发电研究所(HZB Institute for Silicon Photovoltaics)认为它是可用于太阳能电池的材料,相关新闻稿如下:
鉴于此,他们在一片铜薄片上制备石墨烯,然后将其转移至一块玻璃基板上,最后将其涂在一块硅薄膜上。他们检测了两个通常用于传统硅薄膜技术的不同版本:一个样品中包含非晶形硅层,即硅原子处于无序状态,与坚硬的熔化玻璃类似;而另一个样品中则包含多晶硅以帮助他们观察结晶工艺对石墨烯特性的影响。
即使顶层形态因为被加热至几百摄氏度的高温而完全改变,依然能检测出石墨烯。
位于卡斯特利翁省的西班牙海梅一世大学(Spain’s Universitat Jaume I)和牛津大学(Oxford University)的一组研究人员一直致力于光伏和光电设备的研究。2014年,他们对外报告称制造出了有效转化率达15.6%的石墨烯太阳能电池,而且预计将很快投入量产。该太阳能电池将二氧化钛和石墨烯相结合,当作电荷收集器。接着他们使用钙钛矿作为太阳光吸收器。此外,他们还是在低温条件下(150℃),用溶剂进行沉积来制造的,这也降低了生产成本。
荷兰DSM Ahead公司与埃因霍芬理工大学合作,对商业化石墨烯太阳能电池十分感兴趣,并准备投入生产。
美国能源部国家加速器实验室(the Department of Energy's SLAC National Ac-celerator Laboratory)的一队国际合作研究员致力于研究结合了石墨烯的高分子半导体的性能。他们发现与在硅薄层上相比,在单层石墨烯上得到的高分子薄层能更好地传输电子。
研究人员表示他们是第一批研究这些材料中电荷在垂直方向上的传输性能的,垂直方向是太阳能电池的有机光伏器件或发光二极管充电电荷行进的方向。但是该团队也有一些意料之外的发现——在石墨烯上沉积50nm厚的聚合物薄层的导电性能是沉积10nm厚的聚合物的50倍。该团队断定通过更好地控制半导体薄膜的厚度和晶体化结构,设计效率更高的以石墨烯为基础的有机电子设备是可能的,并且最有可能从该研究工作收益的领域是下一代光伏装置和柔性电子器件。
9.2.3.6 制造业
目前制造业研究多种应用和使用石墨烯的方法。预计,他们将成为合成石墨烯和以石墨烯为基础的产品的需求大户,如油墨、抗菌防臭纤维、催化剂、防护涂层、体育用品及过滤器。目前表示出兴趣的是2M公司和杜邦公司。
制造业需要专门合成石墨烯的设备,并且已着手生产。2M Strumenti公司致力于将Moorfield公司生产的纳米化学气相沉积系统推向市场。设计该设备的目的是通过化学气相沉积工艺,实现快速且节约成本地生产石墨烯和碳纳米管。2M公司的另一项产品是2M LAB-CVD,这是一种管式沉积系统。采用这样的配置是因为石墨烯基板的尺寸可从1in提高至6in和8in。它可以支持气体面板和数字质量流量控制器。气体面板可为母液配置一个创新的蒸发冷却系统以保证气体的稳定流动。AIXTRON-Nanoimstruments公司生产的PECVD,是一个名为Aix-tron-“Black Magic”的等离子增强化学气相沉积设备,运用等离子技术来合成石墨烯。
以石墨烯为基础的导电油墨在直接喷墨打印柔性导电图形方面找到其市场。该导电油墨是通过在甲基吡咯烷酮中对石墨进行液相剥离生产出来的。它用于打印薄膜晶体管。Vorbeck Materials公司致力于将该导电油墨商业化。
以石墨烯为基础的3D打印机是个热门话题,许多公司对进入该领域都跃跃欲试,如石墨烯3D实验室(Graphene 3D Lab)、石墨烯技术(Graphene Technol-ogies)公司、斯川塔斯(Stratasys)公司、格拉福尔德(Grafoid)公司、AGT公司、青岛尤尼科技有限公司(Qingdao Unique Products)以及基巴尔安(Kiba-ran)公司。
石墨烯3D实验室分拆自石墨烯实验室。它与Lomiko Metals拥有一家合资企业。石墨烯3D实验室拥有积极的研发部门和试验工场,并且很快会将一种以石墨烯为基础的3D打印材料公之于众。线材石墨烯不仅能导电,而且比未经过特殊处理的线材更为耐用。以石墨烯为基础的3D打印材料可用于当前的3D打印机。石墨烯3D实验室也将尝试开发具有磁性的线材。石墨烯3D实验室的创始人和首席运营官伊莲娜·波利科娃(Elena Polyakova)博士表示,“在高端电子产品市场,生产商可通过使用导电的以石墨烯为基础的3D打印材料来实现一步打印最终产品。他们不仅可以打印出机械结构,而且按下按钮就可以将电路布置和散热结构同时打印出来。”
石墨烯3D实验室最近推出了3D打印的石墨烯电池雏形,由添加了聚合物的石墨烯纳米微板组成。这种电池得到的电池产能效率已经可以与一般的AA电池相提并论。为制造出该款电池,石墨烯3D实验室已经同纽约州立大学石溪分校进行合作并且与美国的ZeGo Robotics公司签订了合同,在开发3D打印机雏形时,使用该公司的导电石墨烯线材和其他功能增强型复合材料。
青岛尤尼科技有限公司是一家中国企业,该公司已准备使用这种由玻璃纤维石墨烯组成的材料进行实际打印。他们在中国的商展期间已展出了一台12m×12m用于打印建筑物的巨大3D打印机。据说,打印材料是一种玻璃纤维石墨烯复合材料,可以用于打印十分坚固的物体。该公司将挑战打印直径为7m、高8m的北京天坛的复制品。
石墨烯技术公司与斯川塔斯公司合作,也计划开发石墨烯增强型3D打印材料。石墨烯技术公司是一家加拿大公司,拥有从二氧化碳中以环保的方式来合成石墨烯的专利权,而斯川塔斯公司则是一家市值超过50亿美元的3D打印公司。以美双边产业研发基金将协同资助该研发成果。
另一家也加入到开发石墨烯3D打印行业的公司是3D石墨技术工业,它与澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)也有合作。
另一家西班牙汽车公司Spania GTA,生产以石墨烯为基础的最大功率为925hp(1hp=0.746kW)的跑车。这辆名为“GTA Spano”的跑车的底盘和车身由石墨烯、碳纤维、钛合金以及凯芙拉合成纤维制成。该公司目前计划限量发售99台。
以石墨烯为基础的抗菌纸和抗菌面料也可能适用于食品包装业以及诸如口罩和绷带等其他产品。然而,这一切还未实现商业化生产。
体育用品企业对生产既坚固又轻便的设备感兴趣并已开始关注石墨烯的应用。
网球明星诺瓦克·德约科维奇(Novak Djokovic)使用了由石墨烯制成的网球拍。该球拍由奥地利体育用品制造公司海德(HEAD)制造。海德与中国台湾工业技术研究所合作开发了这款球拍。该项目得到了奥地利政府的资金支持。
塞威科技(Zyvex Technologies)是全球首家分子纳米技术公司,与埃维复合材料(ENVE Composites)公司进行合作,开发了碳纳米管和石墨烯工程复合材料。该公司是第一家生产出由纳米纤维构成自行车钢圈的公司。这种钢圈是为落山越野单车而特别设计的。碳纳米管和石墨烯复合材料能提供超强韧性以防断裂损伤。
总部位于英国南威尔士的Haydale公司也开发了一个项目,即使用石墨烯增强材料来制造强度更高、重量更轻的赛艇。这个项目是与阿雷克斯·汤姆森(Alex Thomson)赛艇队进行合作的。海戴尔(Haydale)公司最新收购的子公司——EPL复合材料(EPL Composite Solutions)公司为最终达成该目标正致力于开发石墨烯增强材料。
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