什么是石墨烯涂层？石墨烯涂层如何应用？

石墨烯涂层通过提供更高的耐久性、导电性和防腐蚀性能，正在彻底改变行业。本文提供了对石墨烯涂层的生产、应用和效益的见解，重点介绍了利用其潜力的各个行业。

什么是石墨烯涂层？

石墨烯涂层是涂在材料表面的一层薄薄的石墨烯。石墨烯是碳原子的二维晶格，具有高机械强度（1100 GPa）、导电性和阻挡效应等显著特性。它比钢轻六倍、更柔韧，但在分子水平上比钢强 200 倍。

石墨烯涂层提供保护性表面层，提供可定制的特性，例如厚度和导电性。它有效地阻碍氧原子的扩散，防止涂层表面氧化。即使石墨烯被氧化，涂层也可以充当屏障，显著减少氧气向上扩散，防止氧化。多层石墨烯涂层可以进一步增强保护，解决缺陷部位的漏洞。

石墨烯涂料在粘合剂、抗菌涂料、太阳能涂料、绝缘、防锈、防雾、防紫外线和不粘涂料方面具有潜在的应用前景。这种材料的独特性能使其成为广泛研究的对象，因为它具有彻底改变各个行业的潜力。

石墨烯涂层是如何制成的？

化学气相沉积 (CVD) 是大面积生产高质量石墨烯涂层的常用且可靠的技术。它涉及富碳源的热分解，导致碳原子以蜂窝状图案沉积在金属催化剂膜上。基于CVD的石墨烯涂层具有不透水、纯度高、晶粒细硬度高等特点。

快速热退火是生产石墨烯涂层的另一种方法。与未经处理或机械抛光的表面相比，单层丙酮衍生的石墨烯涂层通过将材料置于高温下，显著降低了腐蚀电流密度，显示出更高的耐腐蚀性。

石墨烯涂层如何应用？

石墨烯涂层的应用方法多种多样，如喷涂、浸渍涂层、旋转涂层和卷对卷涂层，具体取决于所需的应用和基材。

喷涂涉及使用溶剂将石墨烯薄片或石墨烯基溶液分散到目标表面上。它是一种简单有效的快速大面积涂覆方法，常用于腐蚀防护和导电涂层。来自芝加哥伊利诺伊大学和韩国的研究人员使用拉瓦尔喷嘴和超音速气流开发了该技术的可扩展版本。该方法提高了附着力，实现了理想的晶格结构，并提供了对石墨烯涂层厚度和质量的控制。

旋涂是一种常见的实验室技术，其中将石墨烯溶液分配到基材上并快速旋转。这种旋转作用使溶液均匀分布并去除多余的溶液，从而在基材上形成薄而均匀的石墨烯涂层。

浸涂将基材浸入石墨烯溶液中，缓慢取出以形成石墨烯薄膜。

石墨烯涂层有什么好处？

石墨烯涂层为下面的样品增加了最小的厚度，同时提供优异的电和热传导性。由于电子云的离域作用，石墨烯中的芳香族C=C键网络遍布整个基面，赋予石墨烯涂层较高的热稳定性。

石墨烯的高柔韧性以及机械和化学稳定性可保持基材的光学外观，使其能够适应不同的表面粗糙度和曲率。

石墨烯涂层的化学惰性和不渗透性使其成为理想的保护屏障，在高压和暴露于过热水中的稳定性超过了金刚石。此外，石墨烯涂层在宽电磁频谱上的高透光率 (97%) 增强了其作为保护涂层的有效性。

石墨烯涂层具有深邃的光泽、鲜艳的色彩、卓越的疏水性和防尘性能，增强了外观和清洁度。

将石墨烯涂料应用于工业

航空航天

石墨烯涂层因其能够保护飞机表面免受雷击引起的电气损坏而在航空航天工业中备受追捧。此外，这些涂层能够检测应变率，为飞行员提供有关飞机机翼在飞行过程中所经历的应力水平变化的实时信息。

石墨烯涂层机翼减少了复合材料层数，从而使飞机更轻，提高燃油效率并降低对环境的影响。

汽车

石墨烯涂层为汽车外部元件（例如底盘和车身涂层）提供先进的保护，具有卓越的疏水性、耐刮擦和耐污染性以及自修复能力等优点。

它有效地防止腐蚀，延长汽车部件的使用寿命，并增强抗划伤性，保持车辆的外观并减少维护需求。

电子产品

石墨烯涂层在增强柔性和可穿戴电子产品的电路方面显示出巨大的潜力，例如可弯曲智能手机、智能健康贴片和大型折叠显示屏。发表在ACS Applied Materials & Interfaces上的一项研究表明，直接在铜线上生长石墨烯可以提高铜线上的导电性和耐用性，使其能够承受 200,000 次折叠而不会损坏。这表明石墨烯涂层可以延长柔性电子产品的使用寿命。发表在《ACS Applied Nano Materials》上的另一项研究表明，石墨烯涂层的金表面更耐汗水腐蚀，使其成为植入式生物传感器和用于监测健康状况的智能贴片的理想选择。

能源

石墨烯涂层通过防止金属表面形成绝缘水膜来改善火力发电厂的传热。麻省理工学院的研究人员利用石墨烯涂层将导热率提高了四倍，超过了聚合物涂层。该技术将热交换器和蒸汽冷凝器的效率提高了 2-3%，为能源行业带来了显着的效益。

第六元素材料公司为海上风电塔筒设计了一种防腐石墨烯涂层底漆，为富锌环氧底漆提供了一种经济高效的替代品。该涂层首次应用在如东海区风力发电机组上，盐雾试验超过2500小时，展现了其卓越的性能。该涂层石墨烯含量为 1%，将锌粉需求量减少了 50% 以上，彻底改变了防腐系统。

石墨烯涂料市场面临认知度有限、量产能力低、生产成本高等挑战，这可能会阻碍其增长。然而，能源、制药、汽车和电子行业的不断发展，加上技术的进步和对研发的日益重视，为石墨烯涂层市场提供了广阔的增长前景。

编辑：黄飞