作者：梅丽莎·比尔
材料定义一个时代。文明是以石器时代、青铜时代和铁器时代来衡量的。最近，塑料和硅时代。在万众期待之后，2022 年见证了石墨烯时代的曙光，这种神奇材料在产品中的应用广泛。
平均而言，2022 年每周至少推出一种石墨烯增强产品。
“石墨烯正处于发动第四次工业革命的风口浪尖，”英国曼彻斯特的石墨烯商业化专家Ray Gibbs说，石墨烯于2004年首次被分离出来。“石墨烯行业正在努力生产高质量，一致的材料，随着时间的推移，这些材料能够为高科技石墨烯增强产品开辟1000亿美元的市场。
然而，大多数人不知道石墨烯是什么。但很快，吉布斯补充说，“石墨烯将触及几乎每个人的生活，几乎每天都在。
什么是石墨烯？
石墨烯是迄今为止发现的最轻、最强、最薄、最好的导热和导电材料。“石墨烯是有史以来最具颠覆性的材料之一，”石墨烯片制造技术公司Avadain，Inc.的首席执行官Brad Larschan说。
石墨烯来自最卑微的起源 – 鳞片石墨，一种丰富的碳形式，最广为人知的是铅笔芯。但是，当鳞片石墨被分离成10个或更少的原子层时，其独特的2D六边形结构，sp2杂化和非常薄的原子厚度中令人难以置信的强碳键赋予了其奇妙的性能组合。
“石墨烯可以产生重大影响的大量产品，工艺和行业都源于其惊人的特性，”曼彻斯特大学表示。“没有其他材料具有石墨烯所拥有的最高级的广度，使其成为无数应用的理想选择。
石墨烯是一种添加剂——它使其他材料变得更好
“石墨烯开始变成我喜欢称之为’隐形添加剂’的东西，”英国著名作家兼记者利亚姆·克里奇利（Liam Critchley）说，他专门研究化学和纳米技术。“石墨烯正被用于增强现有产品，就像任何添加剂材料一样，但所需的量如此之少，以至于你甚至不知道它的存在，除非以这种方式销售。因此，有人可以在他们的一种复合产品中添加非常少量的石墨烯，获得好处，除非有说明，否则你不太可能知道它。这就是石墨烯在低技术和低价值应用中的美妙之处。
根据石墨烯的质量，少量混合可以显着增强产品和材料的基本性能。“在其他材料中添加0.01%-0.50%可以显着改善其性能，”G6 Materials Corp.说。
总部位于田纳西州的Avadain仅用0.5%的大，薄且几乎无缺陷的石墨烯薄片代替了超级电容器中的两种领先导电材料，从而实现了更快的充电/放电，100%的放电深度和更高的功率密度。当放电电流增加时，它还实现了恒定的比电容，从而实现更高效的能量传输和无损耗。与此形成鲜明对比的是，目前使用的主要材料的比电容不断下降。
2022 年，使用较低质量石墨烯增强的产品激增
2019年10月，诺贝尔奖获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）在伦敦皇家学会的一次关于“石墨烯的前15年”的演讲中表示，第一个商业化的石墨烯增强产品是网球拍。石墨烯慢慢进入其他一些消费产品，包括摩托车头盔，自行车轮胎，钓鱼竿和F1超级跑车制造商迈凯轮制造的非常昂贵的手表。
石墨烯及其衍生物具有广泛的品质。生产不同质量石墨烯材料的方法包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯（rGO）、石墨烯纳米粉体、纳米片、CVD石墨烯片等。“市场现在意识到有许多石墨烯材料，并非所有材料都是平等的，”新兴技术研究公司IDTechEx观察到。
“我们经历了一场大炒作和一场大萧条。现在，真正的石墨烯应用正在进入市场，这种材料正在许多行业发生变化，“Graphene-Info创始人兼首席执行官Ron Mertens观察到。
“我们看到石墨烯在2022年的商业采用率显着上升，主要有三个原因：生产商能够提供商业数量;最终用户重新对材料产生了兴趣;而且，只需要少量，使其成为具有成本效益的解决方案，“领先的贸易行业协会石墨烯委员会执行主任Terrance Barkan说。
石墨烯委员会报告说，全球约有300家公司“声称生产一种或多种形式的石墨烯”，全球生产能力“正在迅速增加”。
那么，有哪些质量较低的石墨烯产品在2022年得到了广泛使用？
根据 ontheroadtrends.com 的说法，也许最大的使用量是在道路建设中，这种材料赋予了足够的灵活性和强度，可以显着“减少维护和更新高速公路的需求”。
水泥和沥青是温室气体排放量最高的产品之一。水泥制造业占全球排放量的8%，据英国广播公司报道，仅次于中国和美国，成为最大的温室气体排放国。“少量使用石墨烯建造高速公路可能会减少25%-33%，”ontheroadtrends.com 补充道。曼彻斯特大学指出，添加少量石墨烯可使混凝土强度增加30%。
次优质量的石墨烯也被用于“混凝土中，使其更加坚固，耐用和灵活，”土木工程师Muhammad Adeel Ahsan写道。“石墨烯的掺入可以通过减少裂缝和腐蚀来延长建筑物的使用寿命。
亚当抛光剂在汽车护理产品中使用氧化石墨烯来提供卓越的保护。“我们的石墨烯陶瓷涂料是我们传统的石英（SiO2）陶瓷涂料产品的演变，”该公司解释说。“我们非常自豪能够提供这项技术 – 我们收到了大量关于我们的石墨烯陶瓷涂层和其他还原氧化石墨烯注入产品的性能，它们的易用性以及车辆上最终结果的惊人因素的积极反馈和评论。
较低质量的石墨烯已被用于显着提高MediaDevil Ingenia CB-01耳塞的音频质量。MediaDevil的网站声称，“由一家领先的英国优质音频公司进行的独立测试发现，值得注意的是，[石墨烯]增强了音频波的高端（高音）和低端（低音）。
低质量的石墨烯也进入耳机以产生更高质量的声音。LG声称其T-90耳机使用石墨烯结构来减少振动，产生“在任何音量下都具有一致音调平衡的清晰，自然的音景”。Ora Graphene声称已将石墨烯增强耳机提升到一个新的水平。《物理世界》热情洋溢地报道了Ora耳机的质量。洛杉矶爱乐乐团指挥古斯塔沃·杜达梅尔（Gustavo Dudamel）也认可了ORA耳机，他说它们提供了“我只在管弦乐队前的领奖台上体验过的清晰度”。
四家公司表示，他们使用质量较低的石墨烯来制造他们声称的超高效移动电源。根据数字趋势，石墨烯在充电过程中保持设备冷却，并“导致更有效的性能，使阿波罗旅行者能够实现96%的充电效率并持续1，500个快速充电周期，而大多数移动电源只能管理约80%的效率并承诺500个周期。ChargeASAP.com 更进一步，写道：“石墨烯移动电源在快速、安全和可靠的充电方面改变了游戏规则。与目前常用的纯锂聚合物电池不同，石墨烯引入了更高的能量密度和导电性 – 从而产生更轻，更持久的电池组。
英国公司Inov-8正在其跑步，远足和健身鞋的外底上销售GRAPHENE-GRIP™橡胶，以使运动鞋更轻，更耐用。
业界开始明白石墨烯的质量是关键
虽然用低质量石墨烯增强的产品正在以创纪录的数量推出，但业界最大且迄今为止未满足的需求是高质量石墨烯作为添加剂，以改进各种高价值产品。大（>30+微米的横向薄片尺寸），薄的（<5个原子层）和几乎无缺陷的薄片具有石墨烯的所有最高级品质。简单的石墨可以转化为有史以来最具颠覆性和最有价值的材料之一。高质量的石墨烯薄片满足了工业对石墨烯作为添加剂材料的80%的需求，而具有氧缺陷或小侧片尺寸的石墨烯被认为是较低的质量，因为它们仅具有有限的性能。有趣的是，具有氧缺陷或小侧片尺寸的石墨烯实际上是脆的。佐治亚理工学院和莱斯大学的研究人员报告说，“完美的石墨烯在断裂之前可以承受大约100吉帕斯卡（每平方英寸1400万磅）的力。但是研究人员制造的不完美的石墨烯只能承受其中的一小部分，大约4兆帕斯卡（每平方英寸580磅）。
高质量薄片是石墨烯用作添加剂的行业首选外形，估计对大、薄且几乎无缺陷的石墨烯薄片的被压抑的市场需求为10亿美元。那么，是什么阻碍了石墨烯革命？
“行业正在等待的是大型、薄且无缺陷的石墨烯薄片的可靠来源，以增强高科技产品，”Avadain的首席商务官Phil Van Wormer指出。“这是石墨烯将改变世界的时候。
新兴技术研究公司IDTechEx最近报告称，低质量的石墨烯供应大于当前需求，但继续观察到“它可能不是[行业]所需的石墨烯类型。
“2023年将看到更多的低技术石墨烯增强产品到达消费者并被行业使用，因为全球有大量低质量的石墨烯生产商，”总部位于纽约的Flextrapower首席执行官Linh Le博士说。Flextrapower使用较低质量的石墨烯开发，制造和商业化其可重复使用的掩模，目前正在开发使用更高质量的石墨烯的N97 +等效掩模。Le是年轻一代石墨烯科学家中的一员，他们表示他们对石墨烯彻底改变行业的潜力感到兴奋。
“我们将在未来几年看到曲棍球棒的增长曲线，”Le补充道。“公司将越来越多地加入石墨烯的潮流。
石墨烯的下一步是什么？
Avadain认为高质量石墨烯的市场机会高达数十亿美元，其中有数百甚至数千种大型，薄且几乎无缺陷的石墨烯薄片作为添加剂的应用，Larshan解释说。他接着说，高质量的石墨烯可以改变行业，包括航空、电池、涂料、连接设备、国防、电动汽车、电子、过滤、医疗设备、制药、可再生能源和太空探索。
“想象一下，电动汽车电池通过在阳极上使用少量石墨烯来更快地充电。想象一下使用石墨烯具有更高光电效率的太阳能电池。而且，想象一下风力涡轮机叶片更轻、更坚固，因此它们不会断裂。还可以想象一下新一代无人机和电动飞机，它们更轻、更节能。所有这些都是可能的，因为高质量的石墨烯。
石墨烯委员会确定了45个可以通过石墨烯转化的行业部门。它预计所有类型的石墨烯需求将达到每年300，000-600，000公吨，其中10%-15%将是高质量石墨烯。
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