解读｜石墨烯材料产业需要计量这把“标尺”
发布日期：2021-10-14 15:18:27
石墨烯具有超薄、超轻、超柔韧、超高强度、超强导电性、优异的导热和透光性等特点，被称为“黑金”和“新材料之王”。其轻得像空气，却又硬得像钢铁，如果保持石墨烯强度制成一张薄膜纸，想要刺破它，好比推开一头大象。和熟知的石墨棒、铅笔芯一样，石墨烯也是由碳原子组成的，2004年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次在实验室，通过胶带从石墨上成功分离出一层晶体物质石墨烯，在科学界引起轰动，二人也因石墨烯方面的开创性研究于2010年获得诺贝尔物理学奖。 石墨烯材料作为一种新兴材料，集透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等多种优异性能于一身，在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域有着广阔而巨大的应用潜能,是主导未来高科技竞争的超级材料。自2010石墨烯发现者获得“诺奖”前后，石墨烯产业已经到了从实验室走向产业化的关键时期，作为典型的“从0到1”创新型产业，国内外无任何成熟产品和应用路径可供借鉴，石墨烯材料产业已然成为我国新材料产业乃至制造业实现弯道超车的突破口。 计量被誉为“工业的眼睛”，石墨烯材料产业化进程的每个阶段都离不开计量。 首先，石墨作为制取石墨烯的重要前驱体，其石墨矿的勘探和开采就是一个技术含量很高的系统工程，离不开一系列的矿产地质定位、矿岩力学性质、化学成分分析等计量测试技术。比如，矿石开采破坏了原岩的自然平衡状态，岩体应力重新分布，从而引起采场围岩变形、移动和破坏，可能发生边坡崩落、采场崩塌、透水等严重的安全事故。因此，就要对岩石密度、孔隙率、渗透系数、软化系数、吸水性、弹性模量、脆性度、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、蠕变特性等进行专门的计量，在此基础上才能设计出安全高效的采矿方法和支护方案。 石墨烯薄膜生产过程中，需要通过化学气相沉淀在管式炉中进行生长，整个过程可以被划分为加热，衬底退火，石墨烯生长，冷却。生长步骤又包括几个元素步骤，例如前驱体的引入，分解，核化和进一步生长为连续的石墨烯片层。这些元素步骤往往需要很高的温度去启动一系列的化学反应，因此在一开始需要将基底加热到较高的温度。除此之外，腔体内的压强控制也是十分关键的，高精度的真空表和真空泵被配备使用，达到精准调控腔体内的压力。上述过程就要对温度、流量、气体成分、液体成分、压力、板材、管路、真空度等诸多技术参数进行检测与控制。如果没有配套的计量测试能力，高纯度石墨烯薄膜的生产是无法保证的。 氧化石墨还原法生产石墨烯粉体是一个复杂的化学反应过程，制备过程主要涉及石墨原材料获取、石墨氧化、还原、泥浆分离洗涤、插层剥离、膨胀透析等。在该过程中需要用计量仪表精确测量出物料成分、体积、温度、压力、液位、浓度、转速等参数，精确控制这些参数在允许范围内，才能在保障安全的前提下制备出高质量的石墨烯粉体。 石墨烯材料产品多种多样，目前比较成熟的产品有：复合材料、涂料、油墨、手机触控屏、电池、超级电容器、微波材料等。例如石墨烯复合材料，需要对其几何量参数和力学性能等进行计量测试，包括石墨烯的层数、厚度、石墨烯的微观形貌、杨氏模量、泊松比和表面张力等特征参数。此外，利用石墨烯材料超高热导率的特点，可用于制造火箭发动机尾喷管喉衬及火箭和导弹的隔热、耐热材料等；利用其超高电子传导率的特点，可用于制造航天热电材料、集成电路等。需计量的产品特性参数主要包括热稳定性、弹性模量、抗拉强度、热导性、表面电阻、电磁屏蔽效能参数等。其中的能量粒子会对器件产生辐射损伤，带来巨大的安全隐患，因此检测石墨烯航天工业产品除了常规工业产品的测试要求外，测量辐射效应非常关键。如果没有计量仪器的“火眼金睛”紧紧盯着，我们就无法在高端领域利用各类石墨烯产品。 对于石墨烯材料产业来说，计量是石墨烯上、中、下游产业链质量稳定、均一的保证。安全环保、能源管理、能耗分析、节能降耗等基础工作也离不开计量，否则精准管理根本无从谈起。 随着我国石墨烯材料产业的快速发展，石墨烯材料的计量产业也得到了不断提升。但目前我国石墨烯产业发展面临着产品质量良莠不齐、鱼龙混杂、产业发展不均衡等问题。对于石墨烯材料材质和特有属性、专用参数等的计量测试能力比较欠缺，在计量服务体系上，解决痛点难点上还有很长的路要走。 测量装置专用性不强、测量准确度不高。目前石墨烯材质特性的测量装置大部分以自主研发为主，测量准确度不高。目前这些自主研发所建立的测量装置，由于是出于理论方法研究和验证的目的，所用方法和设计难以顾及准确度，测量误差普遍较大，而且没有经过系统而详尽的不确定度分析和评定，测量结果的准确性很难保证，测量装置之间的测量结果一致性也很难保证，造成石墨烯产品在规模化使用及示范效果的评价方面存在一定的隐患和困难。 特性参数测量方法欠缺，新型材料的计量亟需研究。对于石墨烯材料的特性参数，尤其是电磁、微波等特性参数的测量，是推广使用石墨烯产品的基础和前提。特别是对于航天、国防、军工等重要行业领域，对石墨烯材料特性参数进行精确测量和分析，确定石墨烯使用的范围和效果，有效评估测量不确定度，有利于对其产品性能进行优化分析，更好地推动新型材料的研究和应用，并有助于推动行业技术的发展。 对形态用途各异的新产品计量测试能力不足。随着石墨烯在复合材料、锂电池、超级电容器、柔性显示、传感器、散热材料、半导体器件及生物医药等领域的应用推广，形态用途各异的石墨烯产品，特别是新产品不断涌现，迫切需要研发石墨烯新产品的性能评估方法和测量装置。但在不同的研究领域中常采用不同的参数来描述材料特性。例如，在宽频带内常采用复介电常数和复磁导率表征电磁特性，在通信工程中常采用复传输因子表征电磁特性，在光学中常采用复折射指数表征电磁特性，在物理学和电子学中常采用复阻抗表征电磁特性，而在化学和电力工程中则更多的使用电容率和功率因数表征电磁特性。这些参数有着不同的名称和物理意义，对石墨烯新产品的性能评估方法提出了更高的要求。 石墨烯是一种全新的高科技材料，发展和应用的历史很短，标准还不完善，相当多的石墨烯产品还存在鱼目混珠的现象。从事石墨烯相关产业的企业也以研发型的小微企业为主，基础设施和专用设备普遍比较缺乏，计量测试的能力多不完善。石墨烯材料产业要实现高质量发展，要生产出高端的产品，必须加快专用测试设备研制、完善产业计量测试服务体系，解决生产过程中“测不了、测不全、测不准”的难题，才能做到“测的准、造得精”。 基于此，应北京市人民政府申请，市场监管总局近期批准依托北京市计量检测科学研究院筹建国家石墨烯材料产业计量测试中心（北京）。该中心（北京）将致力于整合石墨烯材料制备与应用技术，结合专业的计量测试技术，加快推动我国石墨烯材料产业计量测试方法、装备、规范与相关标准研制与开发，突破制约我国石墨烯材料产业健康发展的计量测试技术瓶颈，代表国家为国际石墨烯材料的表征、测量和标准做出共享，为全球建立石墨烯材料的测量量值传递溯源体系、建立直接面向石墨烯材料产业技术需求的计量技术服务体系，满足石墨烯材料产业对先进性、规范性的迫切需求。 伟大科学家门捷列夫说过，没有测量，就没有科学。石墨烯材料产业的高质量发展的引擎是技术创新，而技术创新需要借助计量这双“火眼金睛”将一项项技术目标进行分解和量化，并在此基础上不断的迭代升级。相信石墨烯材料产业有了计量的技术支撑和保障，会为高质量发展作出新的贡献。
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