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石墨烯材料研究现状及在LED照明领域中的应用

五、近段时间石墨烯材料在技术上的突破和创新

在石墨烯制备方面,加泰罗尼亚大学纳米科学与纳米技术研究所Moreno等科学家们已经采用化学合成的方法制备具有精确位置的纳米孔石墨烯,将材料用于半导体晶体管中。

北京大学的彭海林教授提出一种新的生产无褶皱高质量石墨烯的方法,通过在具有不同原子位置的结晶铜表面生长石墨烯,从而获得光滑的石墨烯,克服化学气相沉积法中石墨烯出现褶皱的问题。

在单层和少数层石墨烯制备上,Rokni.H等人利用计算机控制系统模拟预测电荷分布,通过静电法控制原子薄层材料剥落,从而获得单层石墨烯。

这些高质量石墨烯制备方法都有助于进一步提升石墨烯在LED照明领域中的应用。

此外,石墨烯在LED照明中的应用情况,RenliLiang等首次提出采用含有氧化石墨烯的含氟聚合物或者含有氧化石墨烯的硅基复合材料作为界面密封剂,实现LED的封装,提高深紫外发光二极管的光效以及工作稳定性。

在利用石墨烯散热性能上,Gao等针对现有的非金属导热材料虽然K值高,但是柔韧性性差的问题,通过高温还原氧化法获得具有高柔韧性的原子薄膜石墨烯,在保持高导热性的基础上增加其柔韧性。

在石墨烯复合材料上,CHO E C等开发出聚酰胺纤维热塑性复合材料中使用石墨烯,在LED照明上具有很好的导热散热效果。

西安交通大学通过比较多种不同类型的石墨烯在LED芯片上的散热效果,发现单层连续石墨烯具有更好的散热效果。

六、国内公司专利布局及知识产权挑战

作为新材料之王的石墨烯可以促进多个产业的技术飞跃和发展,国际间技术、市场的竞争,也不可避免的涉及知识产权的纠纷。我国从2015年开始已经是全球石墨烯技术专利申请量最大的国家,根据2015年由中国石墨烯产业技术创新战略联盟等联合发布的《2015石墨烯技术专利分析报告》的分析,国内石墨烯的应用领域专利布局集中在电池、超级电容器和复合材料,而在信息存储、光电器件、传感器等高科技领域专利布局力度较弱。

而具体到LED照明领域,通过在cnipr检索平台的检索,国内公司目前在LED照明领域布局的与石墨烯技术相关的专利共315件,所涉及的方向主要都是集中在对LED光源芯片的导热和散热上,利用石墨烯导热散热性能的相关专利数量有262件,占比超过84%,远远高于在其他方向上的专利布局。可以看出,国内企业对于石墨烯在LED照明中的应用研究过于集中在石墨烯的热特性上,并没有充分发挥出石墨烯光、电方面的特性。

石墨烯材料研究现状及在LED照明领域中的应用

图2 国内石墨烯LED照明专利技术分类

从申请人类型上看,国内研究机构和企业的结合力度不足,研究机构的研究侧重在于优质石墨烯制备技术及在传感器、电池等高价值领域,而在LED照明领域研究不足,而企业虽然在照明领域布局了部分专利,但是优质的技术、高价值专利数量不足,这也限制了石墨烯在LED照明行业的技术发展。

优质的技术离不开知识产权的切实有力的保护,技术上的欠缺,导致国内石墨烯LED照明专利大多是保护的终端照明产品,而对于其中的核心部件LED芯片、电源缺乏有力的知识产权保护,正如中兴在美国的遭遇一样,一旦国外开发出可以产业化的优质单层石墨烯制备技术,在LED照明的芯片、电源、发光材料方面布局相关专利,则会严重限制国内石墨烯LED照明产品的发展和壮大。

七、石墨烯材料未来技术的突破方向

大尺寸、杂质缺陷可控的高品质石墨烯规模化生产技术是整个石墨烯材料发展的核心,也是重点的突破方向。

目前石墨烯材料的应用市场主要集中在导电散热膜(包括发热服装、理疗产品等)、导电添加剂、散热材料这几个领域,在更高端的集成电路、芯片、显示材料等领域还无法看到成熟产品,究其主要问题有四个,第一,在这几个高端领域的应用主要依托真正单层石墨烯的性能发挥,市面上号称年产三十吨石墨烯的制备工艺,不管是氧化还原法还是物理法,都很难批量得到无缺陷的单层石墨烯原料,往往是三层甚至是十层以上的石墨烯微片,而且每次使用前还要想办法分散,否则由于强团聚效应,往往变成一堆石墨粉末材料,丧失了石墨烯在电学和热学等方面的性能优势。要克服石墨烯的团聚现象,就需要解决其分散性的问题,由于石墨烯的疏水性和化学惰性,相对于氧化石墨烯,其分散性较低,目前主要的处理方法是物理分散和化学分散的方法,物理分散方法采用超声或者强力搅拌,是石墨烯均匀分散。化学分散法主要包括石墨烯功能化改性和原位聚合法。原位聚合法通过添加纳米粒子,通过纳米粒子将石墨烯片层撑开,增加间距,从而阻止团聚,但是这种方法的存在的问题纳米材料与复合材料基体原料之间必须相容性好,这需要合适的溶剂,这种溶剂的选择较为困难,并且具有环境污染的危险。石墨烯的功能化改性是利用共价和非共价的方法添加小分子官能团,对石墨烯表面基团进行修饰,提高石墨烯的溶解性、分散性,比如通过氧化,使表面含有羧基、羟基,通过添加硅烷偶联剂对石墨烯进行硅烷化处理,通过高分子聚苯乙烯磺酸钠修饰石墨烯,利用两者间的非共价键阻止石墨烯片层团聚。除添加小分子外,还可以通过物理方式改性石墨烯表面,例如通过离子液体进行改性。除上面的方法外,还可以采用添加分散剂和电荷吸引的方式实现石墨烯的分散,避免团聚。

第二个问题是如何克服石墨烯的各向异性带来的应用缺陷,以导热领域举例,石墨烯导热主要受限于他们的应用环境和相对较弱的层间的范德华力,通过设计石墨烯三维结构和复合材料,可以使热性能调节,有利于充分发挥石墨烯在散热应用场景中的高导热率和热电应用场景中的低导热率。例如,通过制备碳纳米管-石墨烯网络(PGN)结构、连接成网的石墨烯片等三维石墨烯结构,利用石墨烯和碳纳米管两者的优势,获得可以调节导热功能的新一代纳米材料,这种全新的材料具有高表面积,通过横向的碳纳米管的互连距离以及层间石墨烯片的距离,从而调节这些三维结构的导热性能,可以广泛应用于超级电容器、燃料电池等等。此外,除了批量单层石墨烯生产工艺不成熟以外,石墨烯的转移使用也是一大难题,因为单层石墨烯几乎是透明的,厚度不及十万分之一的头发丝,因此就算制备出来了单层石墨烯,怎么转移使用也很棘手,这是石墨烯技术市场化需面临的第三个问题,未来的解决方式是制备应用一体化,例如采用CVD方法直接将单层石墨烯沉降在玻璃屏幕表面,在不影响透光的情况下,增强其表面导电性,这种导电屏幕的制备方法就是制备应用一体化的一个典型案例,沿用这种思维,未来有可能在芯片、集成电路、柔性显示等领域获得突破。

石墨烯技术市场化需要解决的第四个问题,就是“石墨烯+”的商业化问题。简单的说就是石墨烯复合材料在不同行业的价值体现问题。这部分应用目前最大的困局是大多石墨烯添加改性的应用没有体现出石墨烯的不可替代性和高性价比。例如石墨烯在导电添加、导热增强等方面,很多时候虽然添加后会对基底材料的部分性能有所提升,但由于相容性和分散性等问题,有可能导致其他性能的下降,造成得不偿失的结果;或者虽然表现出一定的增强效应,但跟碳纤维、碳纳米管等同类添加物相比,没有表现出明显优势,造成商业价值缺失的结果。

(作者:陈威)

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