第一篇：石墨范文
21世纪被称为“炭世纪”，炭素材料素有“黑金子”的美称。目前已经形成规模应用的炭素新材料主要有各种特种石墨、碳纤维、炭/炭复合材料等，而更高端的石墨烯和炭纳米材料已经处于突破阶段。炭素新材料广泛用于航空航天、核能、风能、硬质材料制造等行业。9月7日，工信部在哈尔滨第一届国际新材料博览会上解读了即将公布的《新材料“十二五”规划》，其中将实现碳纤维、先进储能材料(将带动特种石墨核石墨负极材料)等的产业化、规模化。中国的“黑金子”绽放正当时。特种石墨国产市场前景广阔
特种石墨主要指高强度、高密度、高纯度石墨制品，在电子、航天、军工、核电、冶金等众多领域都有十分重要的应用。在光伏、模具加工和核电等下游行业快速发展的背景下，“十二五”期间我国特种石墨产量将大幅增长，复合增长率有望达到35%。预计2015年我国各类特种石墨自给率将从目前的20%左右提升至45%。“黑金子”之王—碳纤维
碳纤维被广泛应用于飞机制造、风力发电叶片、海洋钻探、汽车构件、体育器材、医疗器械、建筑补强材料等行业，被誉为21世纪的“新材料之王”。碳纤维作为战略性新兴产业中的一种重要产品，正受到越来越多人的关注。2010年PAN基碳纤维的全球需求量约5万吨，预计到2014年将超过7.5万吨，到2018年需求量将达到11万吨。目前国内碳纤维总产能为4000吨/年，而实际产量不足2000吨，自给率不足20%，进口替代市场空间巨大。重点上市公司
关注炭素行业龙头企业，中钢吉炭(000928)、博云新材(002297)等；其他相关上市公司黑猫股份(002068)、*ST东碳(600691)等。1.中国的“炭世纪”在临近
9月7日，工信部在哈尔滨第一届国际新材料博览会上解读了即将公布的《新材料“十二五”规划》，中国将利用资源优势大力发展新材料产业，至2015年将形成2万亿产值的新材料产业体系，年均增长率超过25%，新材料产品综合保障能力提高到70%，关键新材料保障能力达50%。“十二五”期间还将组织实施十大重点工程，实现碳纤维、先进储能材料(将带动特种石墨、核石墨负极材料)、半导体材料等的产业化、规模化。
按照有关规划设想，“十二五”期间，我国将以碳碳复合材料为重点，积极开发新型超大规格、特殊结构材料的一体化制备工艺，推进高性能复合材料低成本化、高端品种产业化和应用技术装备自主化。此外，还将提升高性能增强纤维规模化制备水平，积极开展高强、高模等系列碳纤维开发和产业化，加快推广高性能复合材料在航空航天、风电设备、汽车制造、轨道交通等领域的应用。1.1 炭素材料用途广泛
炭和石墨材料统称为炭素材料，是以碳元素为主的非金属固体材料。炭素材料的理化性能和机械性能在很多特殊条件下优于金属材料和高分子材料，具有良好的导电性能、热稳定性、化学稳定性，较高的耐腐蚀性，高温状态下的高强度、自润滑性等。炭素材料及制品广泛应用于冶金、航空航天、电子、能源、环保等领域。炭素材料的应用领域广泛
石墨制品：电炉炼钢、刚玉冶炼和黄磷生产用石墨电极、石墨电炭材料等。按通载电流能力可分为普通功率、高功率、超高功率石墨电极。
炭制品：炼铁高炉用炭砖、铝电解槽用阴极炭砖、大型矿热炉用内衬材料、炭电极、炭糊类制品等。
特种炭素材料：航空航天、光伏、核能、电子、医疗、建筑、节能环保等领域，以及作为特殊环境下的结构材料、功能材料。包括特种石墨制品、炭纤维、炭/炭复合材料、炭纳米材料等。炭素材料一般分为石墨制品类、炭制品类和特种炭素材料三大类，前两者统称为传统炭素材料；后者称为炭素新材料，是未来发展的趋势，用途极为广泛，有着广阔的市场前景。
1.2 传统炭素材料产品升级在加快
传统炭素材料主要应用在炼钢和金属冶炼行业中，80%的石墨电极作为电炉炼钢导电材料；炭砖主要用作炼铁高炉炉底、炉缸和冶金矿热炉内衬材料、电解铝用阴极材料等。
我国炭素行业多年的高速发展已经成为全球最大的石墨电极产销国。炭素制品企业已超过400 家，但其中工序配套、可以批量规模生产的企业只有50 多家，较国外技术仍有一定差距，尤其是大规格石墨电极上仍差距很大，日本已经达到1000mm以上，我国量产的不超过800mm。
传统炭素材料的应用分布：钢铁行业75%，铝、硅、铁合金等冶炼15%，其他10%。随着我国冶金产业结构的优化升级，被列入落后生产装备的小电炉逐步退出，高功率和超高功率电炉迅速发展，普通功率中小规格石墨电极市场需求大大萎缩，产品严重过剩，高功率石墨电极供需基本平衡，超高功率大规格石墨电极需求量逐年递增。
2010年石墨电极产量达61.13万吨，而国内消耗量42万吨，出口19.1万吨。2011年1-7月出口石墨电极达到15万吨，占国内石墨电极产量的38.96%。其中超高功率石墨电极产量为12.65万吨，同比增加18.96%，占总产量的32.85%。高功率石墨电极产量为14.45万吨，同比增加1.22%。普通功率石墨电极11.40万吨，同比增加14.48%。产品升级在加快。1.3 炭素新材料前景广阔
炭素新材料是指用于高技术领域的炭和石墨材料，主要用于航空、航天、核能、风能、硬质材料制造、电子、医疗、建筑、环保等行业。21世纪被称为“炭世纪”，就是基于炭材料的优质性能，目前已经形成规模应用的炭素新材料主要有各种特种石墨、炭纤维、炭/炭复合材料等，而更高端的石墨烯和炭纳米材料已经处于突破阶段。
特种石墨被广泛用于光伏行业中的单晶硅/多晶硅炉的加热系统、也作为电火花加工用电极材料、航空航天火箭喷嘴内衬材料，以及高温气冷堆用核电堆芯结构材料等。碳纤维是战斗机、大型客机的重要复合材料、是风能发电叶片的重要材料，也是民用体育休闲产品如网球拍、高尔夫球杆、钓鱼竿等的材料。2.传统炭素产业面临挑战 2.1 产能过剩与结构不合理
石墨电极消耗主要随电炉钢、工业硅、磨料、黄磷等产量增加而增加。作为消耗品，石墨电极占特种钢的成本3%-4%，随着炼钢技术的不断进步，吨钢石墨电极的消耗量在逐渐下降，石墨电极的总需求面临严峻考验。而且，电炉炼钢向大型化、超高功率、直流化方向发展，石墨电极的质量也不断提高。
目前美国UCAR、日本东海、昭和电工等石墨电极企业主导产品都为超高功率电极，其中80%左右为500mm以上大规格超高功率电极。而我国超高功率产品占比仅不足30%，与发达国家相比差距较大。使用超高功率和高功率电炉炼钢，要比使用普通功率电炉炼钢节电10%～50%，缩短冶炼时间30%左右，节约单位成本总计10%以上。不过由于我国电炉炼钢的比例还比较低，仅16%左右，与国外发达国家50%以上的比值还有很大差距，提高电炉炼钢的比重将对石墨电极的需求保持稳定增长。2.2 原料受制于人
生产石墨电极的关键原料是针状焦，采用针状焦制成的超高功率电极炼钢，能有效降低炼钢成本。目前，针状焦生产技术主要被美国、日本等少数国家垄断，我国针状焦产品长期以来依赖进口。针状焦受国外技术垄断，使得其进口价格维持高位。目前针状石油焦等原材料的技术难题已取得了重大突破，但一些关键指标与国外相比还有一定差距。每年进口的针状焦(包括油系和煤系)约10万吨，占总需求量得近25%。2.3 钢铁行业结构调整带来机遇
发达国家电炉钢比例已超过50%，我国电炉炼钢的比重只有16%。近年来，国内外电炉炼钢厂纷纷新建和改建大容量和大功率电炉，对直径550～700mm 的大规格超高功率石墨电极的需求增加。国产大规格超高功率石墨电极不能满足需求，多数厂家以使用进口电极为主。根据《钢铁产业调整和振兴规划》和“控制总量、淘汰
落后”的要求，预计到2011 年，我国钢铁行业的电炉钢比将提高至18%～20%之间，电炉钢特别是大吨位电炉钢生产急需大规格超高功率石墨电极。大规格石墨电极的需求将给长期致力于此类产品研制的企业带来发展空间。3.特种石墨国产化突破在即 3.1 特种石墨的分类和应用
特种石墨主要指高强度、高密度、高纯度石墨制品(简称“三高”石墨)，广泛应用在半导体、太阳能光伏、核电高温气冷堆材料、模具、粉末冶金、真空热处理等领域。表：特种石墨的分类及其性能
特种石墨品种
主要特性/典型用途
直拉单晶硅炉用高纯石墨：纯度高；结构致密、机械强度高；导热系数较高；线膨胀系数较低；耐高温、抗氧化/直拉单晶炉的加热系统
电火花加工用石墨：结构致密、组织均匀；机械强度高；良好的导热和导电性；良好的电加工性/电火花加工用电极材料
人造金刚石用石墨：纯度高；石墨化度较高；晶粒尺寸大且晶形完整；结构致密，具有一定的机械强度/合成人造金刚石的碳源
模具、连铸石墨：适宜的电阻率；优良的耐氧化性和耐高温性；致密的组织结构、较高的机械强度；导热性高/超硬制品、烧结模具材料、铜、铝、铁及其合金等连铸机用结晶器
光纤用石墨：纯度高；结构致密、机械强度高；导热系数较高；线膨胀系数较低；耐高温、抗氧化/光纤预制棒的制备设备材料、光纤拉丝装置的加热系统
其他特种石墨：核石墨：良好的核性能纯度高；高温机械强度高；热稳定性好。火箭喷嘴内衬材料：耐高温高性好；抗热震性好；高温机械强度高/高温气冷堆用堆芯结构材料、火箭喷嘴内衬材料
按用途分类有电火花加工用特种石墨；铸造模具用特种石墨；钢铁或铜、铝连铸用特种石墨；直拉单晶硅炉用或冶炼贵金属、高纯材料用高纯石墨；合成人造金刚石用石墨；火箭、导弹技术用特种石墨；高温气冷堆用堆芯结构用核石墨。
高纯石墨(光伏)37.31%；机械行业用特种炭材料14.93%；电火花加工用特种石墨14.93%；各种精密石墨模具、连铸石墨26.12%；人造金刚石等特种石墨6.72%。3.2 国产化进程为特种石墨提供广阔空间
当前我国特种石墨市场处于严重的供给不足状态，国内2010年总产能不足2万吨，实际产量约为9600吨，而需求量却超过5万吨，自给率约为20%。尤其是高质量的特种石墨(等静压)几乎都要进口，其中约80%来自日本，20%来自欧美。“十一五”以来我国加大了对特种石墨的扶持力度，国内炭素企业加大产品升级和转型，纷纷建设特种石墨生产线。“十二五”期间我国特种石墨产量将大幅增长，复合增长率有望达到35%。预计2015年我国各类特种石墨产量将达到4.4万吨左右，自给率有望提升至45%。当前我国特种石墨产能分布：新成特碳39%；方大碳素22%；兴和永兴16%；中钢吉炭7%；唐山金湾4%；其他12%。特种石墨需求量相对较大的依次是光伏太阳能、电火花及模具加工、核能等。等静压工艺生产出来的特种石墨又称等静压石墨，是目前最成熟也是最先进的生产工艺。我国目前等静压石墨的供给严重不足，2010年的自给率仅有约25%。
表：国内等静压特种石墨供给替代空间巨大
需求量(吨)
2006
2007
2008
2009
2010E
太阳能光伏用石墨
4000
5250
6500
7600
8000
电火花加工用石墨
2000
2380
2750
3245
3500
金属连铸用石墨
500
570
630
690
750
光纤用石墨
120
150
150
烧结模具石墨
真空热处理用石墨
125
150
180
200
块孔氏热交换器用石墨1000
1250
1500
1750
2000
高温气冷堆用石墨
1000
机械密封用石墨
军工用石墨
160
170
180
190
200
需求合计
8000 10000 12000 14000
16000
供给量(吨)
国内生产量
1000
1500
2000
3000
4000
进口量
7000
8500 10000 11000
12000
国内占比
12.50% 15.00% 16.67% 21.43% 25.00%
进口占比
87.50% 85.00% 83.33% 78.57% 75.00% 3.2.1 中国光伏产业催生特种石墨需求高速增长
21世纪以来全球光伏产业高速发展，2000年全球太阳能装机容量仅有1.4GW，而2010年增加至40GW，10年间的复合增长率高达40%。中国近期核定光伏固定上网电价，标志我国光伏产业投资大幕拉开，未来几年我国光伏产业将大幅增长。2010年我国光伏装机容量仅有893MW，仅占全球市场的2.2%。预计2015年我国光伏装机容量将达到10GW，2020年将达到50GW，未来10年间我国将成为全球光伏产业增长最快的国家。
多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池，其中，太阳能级多晶硅占需求量的约60%，预计未来5年多晶硅产量将有20%以上的复合增长率。单晶硅是通过多晶硅直拉法拉制而成，单晶硅主要应用在电子行业中的半导体元件，是电子产业中最基础的材料之一，预计增长速度也将保持在两位数之上。“十二五”期间多晶硅和单晶硅的快速扩张将大幅增加特种石墨的需求量。
3.2.2 电火花加工对特种石墨的需求稳定增长
电火花加工的主要优势在于能适合于难切削材料的加工，工具电极与工件不接触，两者间作用力很小，适用于加工特殊及复杂形状的零件。在电火花加工工艺中，作为阳极的工具电极可以使用铜质材料，也可使用石墨材料。石墨电极与铜电极相比具有比铜轻，密度只有铜的20%；易加工；切削加工不易产生应力及热变形；熔点在3000℃以上时热膨胀系数小。在特种石墨的需求结构中，电火花加工占比中约为15%，是需求量最大的下游之一，2009年电火花加工消耗特种石墨量约为8225吨。电火花加工石墨产品中使用高档石墨约为25%，使用中低档石墨约占75%。十一五期间我国机械行业快速发展，机床生产、金属切削和加工工具行业保持20%以上的平均增长速度，“十二五”期间我国的金属加工处理和切削工业的仍能保持快速增长，对特种石墨的需求量将保持12%-15%的年增长幅度上升。3.2.3 核安全加快石墨材料在核电中的应用 日本福岛核事故引发核电危机，核安全成为未来核电发展的关键因素。欧洲一些国家放缓或停止了核电站的建设，德国甚至宣布2020年关闭核电站，我国也在重新审视核电发展的规划。但从长期看，核电依然是发电效率最高、最有前途的发电机组，我国大力发展核电的长期规划没有改变。在核电建设中，核安全是首位。高温气冷堆是国际核能界公认的目前安全性最高的新型核反应堆，是未来核电装置的发展趋势。石墨是中子的慢化剂和优良的反射剂，其自身的有多优良特性确立了它在核工业领域中关键材料之一。在高温气冷堆中，炭材料是不可缺少的减速材料、反射材料和结构材料。高温气冷堆需要大量的高级石墨材料，可以说没有核石墨材料就无法建成高温气冷堆。在高温气冷堆中由于用氦气作为冷却剂，用炭素及陶瓷材料作为燃料的包覆材料，用石墨或炭质材料作为减速材料和炉芯结构材料，可以把接近1000℃的高温气体导出反应堆外作为能源使用。国际上已经建立了多座开发研究用高温气冷堆。此外，核石墨可以用来制作热结构件，各向同性炭石墨材料用于制作石墨球、堆芯材料、电极等核石墨制品。
按照现有的核电发展规划，我国2020年将建设8600万千瓦的核电装机容量，而2010年装机容量仅有不到1000万千瓦，意味着未来10年我国核电装机年复合增长率高达25%。3.2.4 其他需求：模具、连铸和人造金刚石石墨增长潜力不容忽视
中国用于制造模具和连铸的石墨数量较大，石墨模具和连铸用各类石墨占总需求量约26%。机械工业中的铸造行业大量使用石墨材料作为加压铸造、离心铸造、超硬合金的热挤压等加工模具。生产大规格的纯铜、青铜、黄铜等主要采用连铸的方法，其中对产品质量起着至关重要影响的结晶器就是用等静压石墨材料制成的。由于等静压石墨在热传导、热稳定、自润滑、抗浸润及化学惰性等方面具有良好的性能，使之成为制作结晶器不可替代的材料。等静压石墨还用于制作金刚石工具和硬质合金的烧结模具，光纤拉丝机的热场部件(加热器、保温筒等)，真空热处理炉的热场部件(加热器、承载框等)，以及精密石墨热交换器、机械密封部件、活塞环、轴承、火箭喷嘴等。4.碳纤维十二五新材料规划的宠儿 4.1 碳纤维被誉为“新材料之王”
碳纤维是指含碳量在90%以上的无机高分子纤维材料，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质；力学性能优异，比重不到钢的1/4，抗拉强度是钢的7-9倍，且抗拉弹性、比强度、比模量均显著优于钢。碳纤维的优良特性决定了其应用无处不在，被广泛应用于飞机制造、风力发电叶片、海洋钻探、汽车构件、体育器材、医疗器械、建筑补强材料等行业，被誉为21世纪的“新材料之王”。
表：国外PAN基碳纤维原丝生产工艺
研制单位
溶剂
工艺路线
纺丝方法
日本东丽
二甲基亚砜
一步法
湿纺
日本东邦
氯化锌水溶液
一步法
湿纺
美国NASF
熔纺
日本三菱人造丝
二甲基乙酰胺
二步法
湿纺
二甲基甲酰胺
一步法
湿纺
日本爱克纶
NaSCN
二步法
湿纺
二甲基甲酰胺
二步法
湿纺
英国考特尔兹
NaSCN
一步法
湿纺
日本旭化成二甲基亚砜
二步法
干喷湿纺
根据基础原料不同，碳纤维主要分为三类：以聚丙烯腈(PAN)为原料高温碳化形成的碳纤维为PAN基碳纤维；以沥青、粘胶纤维为原料高温碳化形成的碳纤维分别为沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维。其中聚丙烯腈基碳纤维是目前碳纤维发展的主流，占世界碳纤维市场的80%以上。
碳纤维主要有四种产品形式：纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。布料是指由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；短切纤维指的是短丝。
表：碳纤维的主要用途及应用形态、种类
种类
用途
有关产业
丝束
高温隔热材料
电子、汽车、飞机、原子能
复合材料CFR
CF增强树脂(CFRP)密封材料
化学、石油工业、石油、汽车
功能材料(滑动、导电、耐腐蚀材料等)电子、电工、机械、宇航、飞机、化学
CF增强碳(CFRC)结构材料(重要较高模量的一次、二次结构用才)运动器材、飞机、宇航、电工、医疗
烧蚀材料
宇航
CF增强金属(CFRM)摩擦材料
汽车、铁道、飞机、机械
炭、石墨材料
钢铁、电工
CF增强水泥(CFRC)有关电池的基材
电力、汽车
建筑、土木材料
船舶、住宅建设 4.2 日本、美欧大厂垄断碳纤维供应
虽然碳纤维经过几十年的发展其生产工艺已经成熟，但其技术壁垒极高，目前全球仅少数国家具备大规模生产的能力。世界碳纤维主要产能集中在日本、美国、英国、德国、法国、韩国和我国的台湾省，主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克、阿克苏、和德国的SGL公司等。
世界小丝束碳纤维生产基本上被日本碳纤维生产厂家控制，主要是东丽(Toray)集团、东邦(Toho)集团和三菱(Mitsubishi)集团三大碳纤维生产企业，三者合计占据了全球小丝碳纤维名义产能的70%以上。大丝束碳纤维生产主要集中在美国、德国和日本，美国卓尔泰克(Zoltek)、德国西格里(SGL Group)和日本东邦(Toho)的大丝束碳纤维产能合计占全球大丝碳纤维名义产能的80%左右。
预计未来五年全球碳纤维产能将继续保持增长，其中小丝束碳纤维增速相对较慢，而大丝束碳纤维将快速增长。预计2014年全球碳纤维名义产能将达到11.09万吨，比2009年大幅增长38%。
4.3 碳纤维的需求快速增长
据《复合材料市场报告》克利斯.兰德(Chris Red)的统计数据，过去的2005-2010年全球碳纤维需求复合增长率近9%，预测2010-2018年碳纤维需求复合增长率将达到15.12%。AJR咨询公司托尼.罗伯次(Tony Roberts)预计2010-2018年碳纤维需求复合增长率为13.39%。增长的动力主要来自全球风能市场高速增长、汽车轻量化趋势对碳纤维的需求量大增，以及航空航天市场稳定增长。
预计2014年航空航天对碳纤维的需求1.3万吨，比2010年增长近80%；预计2018年全球市场对碳纤维需求量约1.6万吨。其中增长较快的是民用飞机、通用航空领域。表：民用航空业提高碳纤维需求
宇航工业
2008年
2009年
2010年
2014年
2018年
比2010年增长
民用飞机
3600
3500
4200
8500
11000
161.90%
军用飞机
580
500
550
800
900
63.64%
直升飞机
320
350
400
420
470
17.50%
通用航空
1350
1180
1000
1600
2000
100.00%
其他宇航
780
700
1100
1680
1630
48.18%
合计
6630
6230
7250
13000
16000
120.69% 中国大型飞机C919计划2012年完成详细设计，2014年实现首飞，2016年完成适航取证并投放市场。如果按照25%的复合材料重量占比测算，每架C919飞机所需复合材料在15吨左右，对应年需求量在2250吨，对碳纤维的需求增量很大。碳纤维在风能发电行业中主要用于风机叶片的载荷加强杆中，作为特大风力发电叶片的主要材料。目前，由于风能发电的成本相对低廉，全球风机装机容量的增速迅猛，大容量风机的应用将成为主要趋势。根据风电行业相关标准，2兆瓦以上风电设备必须采用碳纤维材料，随着国内风电装置大量建设，大丝束碳纤维需求量将有爆发式增长；2010年全球风能对碳纤维的需求量约5000吨，2014年将大幅提升至17000吨，2018年预计为35000吨，2010-2018年的需求复合增长率高达27%。
中国2010年累计风电装机容量约为4183万千瓦，其中2010年新增风电装机达1600万千瓦，占全球新增风电装机容量的46%。预计到2015年，我国将新建成6000万千瓦的装机容量。这需新增12000台5MW级风力发电机，约需使用碳纤维36000吨。预计到2020年中国风电装机有望达到15000万千瓦，未来十年复合增长率为19%。另外，碳纤维以其高比强度和抗拉弹性等优异的力学性能而被应用在高端汽车领域。汽车零部件轻量化、小型化已成为未来汽车工业发展的趋势。资料显示，汽车自重每减少100公斤，行使100公里可节约油0.3升。汽汽车工业中主要应用于发动机底盘、驱动轴、车身、车门、横梁、油箱、悬臂梁、钢板弹簧、减速器、变速器支架等。如果每辆北美的汽车用2.2kg碳纤维，那北美2010年1200万辆汽车的碳纤维总需求量就高达26.4万吨，汽车工业对碳纤维的需求潜力巨大。
其他领域中，碳纤维在建筑工程中的应用也很广泛，用作土木建筑的补强加固材料、钢筋替代材料、混凝土增强材料、斜拉悬索桥钢索代用材料等。我国2010年建筑补强使用碳纤维约380吨，到2012年预计将达到460吨以上。国家对电力需求的不断增长，要求输电线路的传输容量越来越大，碳纤维复合材料为芯部的新型电缆大量进入市场，将替代传统的普通钢芯电缆。仅对国内最大的电缆厂家的调查表明：该厂家已具备年生产8000公里长新型电缆能力，年需碳纤维500～800吨。5.中国炭素行业的挑战与机遇
5.1 特种石墨量少质差进口替代不是梦
一是特种石墨市场处于严重的供给不足状态，国内2010年总产能不足2万吨，实际产量约为9600吨，而需求量却超过5万吨，自给率约为20%。尤其是高质量的等静压特种石墨几乎都要进口，其中约80%来自日本，20%来自欧美。
二是规格偏低，国内大多厂商生产的等静压石墨规格一般在直径300-500mm，极少数达到600-700mm以上规格的产品，而日本等国已经具备了直径1000mm及以上的能力。三是特种石墨的性能差距，随着下游领域的发展，对等静压石墨的要求有更高纯度、高强度、颗粒更细等特性，尤其是在单晶炉向大规格化发展、核电领域以及金刚石加工中对等静压石墨的要求更高，而我国目前大多数企业尚不具备这个技术能力。
由于技术相对较低，国产特种石墨的价格大幅低于进口石墨，国内产品价格在6-12万元/吨之间，而进口石墨价格在18-20万元/吨。巨大的价格空间以及技术的不断攻克，进口替代未来不是梦。
5.2 碳纤维求索之路仍长新材料规划将催速 碳纤维作为战略性新兴产业中的一种重要产品，正受到越来越多人的关注，国内碳纤维生产线建设也异常热闹。作为战略性新兴产业的分支之一颇受关注，行业成长“动力十足”。据预测，2010年PAN基碳纤维的全球需求量将达4万-5万吨，到2014年将超过7.5万吨，预计到2018年需求量将达到11万吨。2010年我国碳纤维需求达1万吨左右。目前国内碳纤维生产企业有23家，总产能为4000吨/年，规模都在千吨以下。而实际产量不足2000吨，自给率不足20%，尤其是高性能的小丝束碳纤维基本依靠进口。
目前国内碳纤维发展面临两个瓶颈，一是原丝技术，二是碳化炉。尽管国内发展了几十年，但只能小规模生产T300的碳纤维，对于高强碳纤维T800、T1000，国内尚无生产能力，是国内欠缺高性能原丝与先进的碳化炉，而这些发达国家对我国实行技术封锁，一直难有突破。由于面临较高的技术壁垒，我国高性能碳纤维发展仍需攻关。在碳纤维应用方面，发达国家碳纤维应用比例分别是工业应用49%、航空航天19%、体育休闲32%；而我国是体育休闲占比最高达65%左右，工业应用约为31%，航空航天仅4%左右。6.重点公司
6.1 中钢吉炭(000928)——碳纤维发威
公司是国内最大的综合性炭素制品生产企业之一，主要有石墨电极、石墨阳极、炭块、特种炭制品、炭纤维制品等，目前石墨电极总产能11万吨/年。目前普通、高功率、超高功率石墨电极的比重已调整到2：4：4，公司计划未来再进一步扩大到0.5：4：5.5。
公司全资子公司神舟碳纤维公司是国防科工委唯一一家定制生产军用碳纤维的企业，每年提供约10吨左右碳纤维，毛利率在30%左右。另外，公司持有30%股权江城碳纤维。一期500t预计在2011年9月底投产；二期1500t。江城碳纤维公司生产的民用碳纤维主要是6K和12K的品种。
大股东中钢集团是国国资委直属的大型企业，下属仍有大量的炭素资产，未来有注入上市的可能性。四川炭素，产品主要是电极接头，也有一些电极本体，产能3-4万吨。上海新型石墨(浙江)生产特种石墨。鞍山热能院有8万吨煤系针状焦产能。江城碳纤维70%的股权。此外，公司所在地吉林省吉林市是科技部认定的唯一一个碳纤维产业化基地，这标志着吉林的碳纤维产业发展上升为国家发展战略层面，成为中国发展碳纤维产业的重点基地。6.2 博云新材(002297)——C/C王者
公司产品飞机刹车副、航天用炭/炭复合材料、汽车刹车片、高性能模具，都处于国际领先水平：公司依托中南大学，在国内粉末冶金复合材料领域形成了基础研究—应用研究—产业化的链条，能在短时间内将行业内最新的先进技术应用于规模生产中。
环保型高性能汽车刹车片技术改造工程将于年底完工，产能将达到2500万片。产能的释放将为公司带来积极的影响，消除公司汽车刹车片产能日益不足的问题，得以实现更好的经济效益，符合公司发展战略。
公司飞机刹车副产品国内市场份额第一，毛利率高，其产品凭借高性能、相对优惠的价格，正在逐渐替代国外同类产品。
公司与霍尼韦尔联合竞标取得中国商飞C919大型客机机轮、轮胎和刹车系统独家供应商资格，双方组建合资公司共同实施该项目。公司拟采取非公开发行募集5亿元人民币，用于投资公司与霍尼韦尔尔合资飞机机轮刹车系统项目、长沙鑫航飞机机轮项目等。公司意在提高在飞机机轮刹车系统及其配件的研发、设计、生产能力和延伸公司航空产品产业链。(公子战）
第二篇：石墨材料
石墨材料
模具是工业生产中使用极为广泛的基础工艺装备，模具工业是国民经济的基础工业。在现代工业生产中，产品零件广泛采用冲压、锻压成形、压铸成形、挤压成形、塑料注射或其它成形加工方法，与成形模具相配套，使坯料成形加工成符合产品要求的零件。我们日常生产、生活中所使用到的各种工具和产品，大到机床的底座、机身外壳，小到一个胚头螺丝、纽扣以及各种家用电器的外壳，无不与模具有着密切的关系。模具的形状决定着这些产品的外形，模具的加工质量与精度也就决定着这些产品的质量。近年模具行业飞速发展，石墨材料、新工艺和不断增加的模具工厂不断冲击着模具市场，石墨以其良好的物理和化学性能逐渐成为模具制作的首选材料。[1]编辑本段石墨模具的优良性能1.优良的导热及导电性能 2.线膨胀系数低等很好的热稳定性能及抗加热冲击性 3.耐化学腐蚀与多数金属不易发生反应 4.在高温下（在多数铜基胎体烧结温度800℃以上）强度随温度升高而增大 5.具有良好的润滑和抗磨性 6.易于加工，机械加工性能好，可以制作成形状复杂、精度高的模具
编辑本段石墨模具的应用目前，石墨模具主要在以下几个方面得到了广泛的应用：
1.有色金属连续铸造及半连续铸造用石墨模具：近年来，国内外正在推广由熔融金属状态直接连续（或半连续的）制造棒材或管材等先进的生产方法。国内在铜，铜合金，铝，铝合金等方面已开始采用这种方法。人造石墨作为有色金属的连续铸造或半连续铸造用模具被认为是最合适的材料。生产实践证明，由于采用了石墨模具，因其导热性能良好（导热性能决定了金属或合金的凝固速度），模具的自润滑性能好等因素，不但使铸型速度提高，而且由于铸锭的尺寸精确，表面光滑，结晶组织均匀，可直接进行下道工序的加工。这不仅大大提高了成品率，减少了废品损失，而且产品质量也有大幅度的提高。连续铸造方法有立式连续铸造法和卧式连续铸造法两种。
2.加压铸造用模具：人造石墨材料已成功地用于有色金属的加压铸造上。例如，用人造石墨材料制造的加压铸造用模具生产的锌合金和铜合金的铸件已用于汽车零件等方面。
3.离心铸造用石墨模具：石墨模已成功应用于离心铸造上。美国已采用壁厚为25 毫米以上的人造石墨铸模来离心 铸造青铜套管。为了防止人造石墨模的烧损，可采取一定的防氧化措施。浇铸一定数量的铸件后，如果发现铸模内表面烧损，可以将铸模内孔的尺寸扩大以便用来铸造大规格套管。
4.热压压模 模具：人造石墨热压压模用于硬质合金的加压烧
结方面具有下述特点： 一是若压制温度提高到1350-1450 度时，则所需单位压力可降到67-100 公斤力/平方厘米（即为冷压压力的1/10）就可;二是加压和加热在同一道工序进行，经短时间的烧结就能得到致密的烧结体。
5.玻璃成型用模具：由于石墨材料具有化学稳定性，不易受熔融玻璃的浸润，不会改变玻璃的成分，石墨材料耐热冲击性能良好，尺寸随温度变化小等特点，所以近年来在玻璃制造中成为不可缺少的模具材料，可以用它来制造玻璃管，弯管，漏斗及其它各种异型玻璃瓶的铸模。6.烧结模及其它金刚石烧结模具：利用人造石墨材料热变形极小的特点，可制造晶体管的烧结模具和支架，现已广泛使用，它已成为发展半导体工业不可缺少的材料。此外，石墨模具也使用于铸铁用的铸型，各种有色金属用的耐久性铸模，铸钢用铸型，耐热金属（钛，锆，钼等）用的铸型及焊钢轨用的铝热焊型的铸型等。热压烧结金刚石工具用石墨模具,在金刚石工具制造过程中担负着发热元件和模具支撑的双重作用,石墨模具质量的优劣,直接影响到金刚石工具的尺寸精度、外观形状等。热压烧结工艺要求:温度达到(1 000±2)℃,成型压力16～50 MPa,保温保压时间为15～30 min,环境为非真空状态。在此工况条件下,既要求成型及发热元件的石墨模具具有导电性、较高的电阻率、足够的机械强度,还需要其具有良好的抗氧化性能和较长的使用寿命,以确保金刚石工具的尺寸精度和优异性能。目前,西方发达国家金刚石工具制造用石墨模具材料,主要为超细颗粒结构、高纯度和高石墨化度的石墨材料,要求其平均粒径小于15μm,甚至10μm以下,中等气孔尺寸小于2μm。用此炭素原料做成的石墨模具,气孔率小、结构致密、表面光洁度高、抗氧化性较强,平均使用寿命可达30～40次。金刚石模具要求材质硬度高，抗氧化性能好，加工精度高等特点，采用优质石墨原材料大大延长了模具使用寿命和提高了抗氧化性能。
编辑本段电火花（EDM）加工模具在家电、汽车、机电、航空航天等工业领域日益成为工业化批量生产的主要工艺设备，承担了这些工业中60%-90%的产品零部件的加工生产。近年来高速铣削突破了传统铣削难以加工高硬、高强、高韧模具材料的限制。但电火花加工具有加工精度和表面质量高，可加工范围宽，特别是在复杂、精密、薄壁、窄缝、高硬材料的模具型腔加工中的优势是高速铣削所不能比拟的，因此放电加工将仍然是模具型腔加工的主要手段。由于石墨电极(与铜相比)有电极消耗少、放电加工速度快、机械加工性能好、重量轻、热膨胀系数小等优越性，逐渐代替铜
电极成为电加工电极的主流。石墨电极与铜相比，有着消耗少、放电速度快、重量轻以及热膨胀系数小等优越性，因此逐渐代替铜电极成为放电加工电极的主流。相比之下，石墨电极材料具有以下优势：
1.速度快：石墨放电比铜快2-3倍，材料不易变形，在薄筋电极的加工上优势明显，铜的软化点在1000度左右，容易因受热而产生变形，石墨的升华温度为3650度左右，相比而言，石墨材料热膨胀系数只有铜材的1/30；
2.重量轻：石墨的密度只有铜的1/5，大型电极进行放电加工时，能有效降低机床(EDM)的负担，更适用于大型模具的应用；
3.损耗小：由于火花油中含有C原子，在放电加工时，高温导致火花油中的C原子被分解出来，而在石墨电极的表面形成保护膜，补偿了石墨电极的损耗；
4.无毛刺：铜电极在加工结束后，还需手工进行去除毛刺，而石墨加工后没有毛刺，这不但节约了大量的成本和人力，同时更容易实现自动化生产；
5.易抛光：由于石墨的切削阻力只有铜材的1/5，操作上更容易进行手工研磨和抛光；
6.成本低：由于近几年铜材价格不断上涨，如今，各方面同性石墨的价格比铜的更低；相同体积下石墨产品的价格比铜低百分之三十到六十，价格比较稳定，短期价格波动相对来讲比较小。编辑本段石墨模具加工工艺首先它由模具设计人员根据产品（零件）的使用要求，把模具结构设计出来，绘出图纸再由技术工人按图纸要求通过各种机械的加工（如车床、刨床、铣床、磨床、电火花、线切割等各种设备）做好模具上的每个零件，然后组装调试，直到能生产出合格的的产品。
编辑本段石墨模具的现状与发展如今石墨模具工业对人类的生活及发展起着至关重要的作用，许多产业部门(如机电、汽车、家电轻工、电器仪表、通讯、军械等)的发展依赖于模具工业的技术提高和发展，世界各国均投入大量的人力财力发展石墨模具工业。像德国的西格里、日本的东洋碳素 在国际石墨模具工业领域中取得了主导地位。我国对模具工业的发展也十分重视，模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。从1997年我国有关部门开始重视和支持对石墨模具工业的发展，大力扶植中国本土企业在石墨模具工业上的发展，如今已经取得了不错的成绩，并为中国的出口外汇收入做出了贡献。如今像北京的北京北方鑫源电碳制品有限责任公司等生产厂家历经20年的发展，生产的石墨模具及石墨制品均受到了国内及海外用户的一致认可及
好评。针对未来模具行业的发展趋势，谁能在最短的时间里完成模具的制作，谁就赢得了客户，赢得了市场。石墨模具（石墨电极）以其各方面优越的性能，已经在模具行业中确立了重要的主导地位及未来的发展趋势
第三篇：石墨烯前景
2013年1月，欧盟委员会将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一；
十二五规划
石墨烯是新材料中最为“时髦”的一员。它具有超硬、最薄、负电子的特征，有很强的韧性、导电性以及导热性。这使其能够广泛应用于电子、航天、光学、储能、生物医学等众多领域，拥有巨大的产业发展空间。
因此，石墨烯在2004年被发现后就迅速引发全球范围内的研究热。近年来我国在石墨烯研发应用方面的研究不断加强，各地政府和有关机构加大力度扶持和推动石墨烯产业化发展。
2013年6月，内蒙古石墨烯材料研究院正式成立。这是我国首个与石墨烯材料相关的综合性研究机构和技术开发中心。
2013年7月13日，在中国产学研合作促进会的支持下，中国石墨烯产业技术创新战略联盟正式成立。该联盟已向有关部门上报了无锡、青岛、宁波、深圳四个地方，作为石墨烯产业研发示范基地。江苏省、山东省等省级石墨烯联盟已于2013年陆续成立。
2013年12月18日，无锡市发布《无锡石墨烯产业发展规划纲要》，规划建立无锡石墨烯产业发展示范区和无锡市石墨烯技术及应用研发中心、江苏省石墨烯质量监督检验中心。力争把无锡市打造成国家级石墨烯产业应用示范基地和具有国际竞争力的石墨烯产业发展示范区。
2013年12月20日，宁波年产300吨石墨烯规模生产线正式落成投产。
与此同时，上海浦东新区也正筹备建立临港石墨烯产业园区，并力争国家石墨烯检验监测中心落户浦东。
石墨烯产业遍地开花。据记者了解，目前，无锡市已设立2亿元专项资金，通过补贴、配套、奖励、跟进投资、股权投资等方式，进一步扶持石墨烯产业发展；宁波为了扶持石墨烯产业发展，也拿出了千万元以上的扶持资金。业内人士表示，作为一种理想的替代型材料，石墨烯一旦实现产业化其产值至少在万亿元以上。
推进产业结构优化
第四篇：石墨烯学习心得
石墨烯学习心得
最近这段时间断断续续搜集了很多纳米材料、半导体物理还有石墨烯的相关资料，主要是来自万方数据网、超星学术视频网站、百度文库还有一些相关网页博客资料。了解到了很多之前闻所未闻的知识，比如“纳米材料的神奇特性、纳米科技潜在的危害”等等。
对于石墨烯，主要有如下几方面不成熟的想法，还望老师您来指正。
（一）在石墨烯新奇特性以及宏观应用预测方面
有人认为，石墨烯的这些新奇的特性以及预期应用并不能推广到宏观尺寸。
第一是认为很多实验数据都是来源于对微纳米级单层石墨烯的实验研究，不能把纳米微米级观察和测试到的数据无限夸大到宏观应用；
第二是认为单层悬浮石墨烯的特异性是依靠其边界碳原子的色散作用而稳定存在，大面积的单层悬浮石墨稀不可能稳定存在。第三是认为目前的大面积石墨烯的应用实例存在相当大的褶皱以及碳原子缺失。因而否定很多2010年诺贝尔物理奖的公告中对于石墨稀的宏观应用预测，并主张继续深入石墨烯微观性能研究，比如半导体器件等研究。
我想：我们最好还是不能放弃石墨烯在宏观尺度上应用的希望，应该尽最大努力用各种手段去克服所谓的褶皱、碳原子缺失等等导致石墨烯性质不能稳定存在的负面因素，比如采用衬底转移（CVD）的方式所制大面积石墨烯透明电极尺寸的方法（虽然制得的石墨烯还有很多的缺陷，但至少证明大面积石墨烯还是有可能稳定存在并最终为我们所用的吧，毕竟有宏观实际应用的材料才更有可能是有发展前景的新型材料）。
（二）在石墨烯制备工艺方面 我们知道，石墨烯非常有希望在诸多应用领域中成为新一代器件，但这些元件要达到实际应用水平,还需要解决很多问题。那就是如何在所要求的基板或位臵制作出不含缺陷及杂质的高品质石墨烯,或者通过掺杂(Doping)法实现所期望载流子密度的石墨烯。用于透明导电膜用途时能否实现大面积化及量产化,而用于晶体管用途时能否提高层控制精度,这些问题都十分重要。今后,为了探寻石墨烯更广阔的应用领域,还需继续寻求更为优异的石墨烯制备工艺,使其得到更好的应用。
（三）石墨烯在纳米存储器上的应用前景
传统的半导体工艺技术已逐渐逼近物理极限，难以大幅度提高存储器的性能，越来越难以满足人们对存储器的要求，要想有突破性的进展，就必须另辟蹊径，寻找新的原理和方法。
第一是因为传统半导体存储器存在容量小数据易丢失等弊端。第二是因为现代化信息爆炸社会迫切要求新型的大容量存储器的出现。
第三因为是人们对信息存储的安全性要求越来越高。最后，假如纳米存储技术能够实现的话，届时我们电脑中的存储设备也许会以PB为单位计算，而因存储介质损坏导致数据丢失的烦恼也将远离我们。所以我觉得：要是可能的话，以石墨烯为介质的存储器，应该是一个不错的研究方向。
第五篇：石墨烯相变材料论文
石墨烯相变材料的研究
摘要：随着热管理及热存储技术的发展，储热技术逐渐扮演着越来越重要的角色，于此同时寻找高性能的储热材料也成为了研究热潮。近年来，相变材料的发展为储热技术带来了福音，相比于其他热导率低，储热性能差的储热材料，相变材料有着天然的优势。而在相变材料中，石墨烯相变材料是如今发现的储热性能最优异的相变材料，通过将石墨烯作为填充材料，相变材料的储热能力大大提升。
关键词： 热存储 相变材料 储热材料 石墨烯 前言：
在热能的存储和利用过程中，常常存在于在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，如太阳能的间歇性，电力负荷的峰谷差，周期性工作的大功率器件的散热和工业余热利用等。相变储能材料通过材料相变时吸收或释放大量热量实现能量的储存和利用，可有效解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。因此，相变储能技术被广泛应用于具有间歇性或不稳定性的热管理领域，如航空航天大功率器件的管理，周期性间歇式电子工作器件的散热，太阳能利用，电力的“移峰填谷”，工业废热余热的回收利用，民用建筑的采暖及空调的节能领域等。近年来，相变储能技术成为能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。
相变储能材料具有储能密度大储能释能过程近似恒温的特点。但多数相变储能材料存在热导率低，换热性能差等缺点。采用具有高导热，低密度，耐腐蚀和化学稳定性好等优点的碳材料对其进行强化传热，可有效提高系统换热效率。常用的固-液定型相变储能材料实际上是一类复合相变材料，主要是由两种成分组成：一是工作物质；二是载体基质。工作物质利用它的固-液相变进行储能工作物质可以是各种相变材料，如石蜡，硬脂酸，水合盐，无机盐和金属及其合金材料。载体基质主要是用来保证相变材料的不流动性和可加工性，并对其进行强化传热。
石墨烯是一种新型碳材料，它具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状紧密堆积结构。它是构建其他维度炭质材料的基本单元。石墨烯本身具有非常高的导热系数，并兼具密度小，膨胀系数低和耐腐蚀等优点有望成为一种理想型散热材料。将石墨烯作为强化传热载体，有可能克服单一相变材料热导率低的缺点，缩短复合体系热响应时间，提高换热效率实现复合材料传热和储热一体化。
本文通过查阅大量文献以及亲自做实验得出了一些数据和结论。正文
1.根据同济大学田胜力、张东、肖德炎、向阳等人2006年在《材料开发与应用》上发表的文章，他们对脂肪酸相变储能材料的热循环行为进行了系统的研究试验。试验选用了化学纯的癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕榈酸等四种脂肪酸为研究对象，利用差示扫描量热技术（DSC）测定了经过56次、112次、200次和400次反复热循环的相变材料的融化温度和融化潜热，加速热循环试验结果显示：癸酸融化温度范围变窄了4℃左右，肉豆蔻酸融化温度范围变宽了3℃左右，月桂酸和棕榈酸的融化温度范围变化不明显，其中以棕榈酸的融化温度变化最小。随着热循环次数的增加，相变材料的融化初始温度和融化潜热变化较小，且是没有规律的。在400次左右的热循环范围内，这些脂肪酸具有较好的热稳定性，有作为潜热储存材料的应用潜力。且此四种脂肪酸的融化温度在30℃到60℃之间，适于用作绿色建筑材料及其他室温范围内的潜热储存过程。考虑到相变材料的使用时间可能更长，因此要测试以上脂肪酸长期作为潜热储存材料的稳定性和可行性，需要更多次数的加速热循环实验来验证。而Ahmet Sari在研究纯度为工业级的月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸是发现，经过1200次热循环后，这些脂肪酸的融化温度均逐渐降低，降低最大值为6.78℃，并且，脂肪酸的融化温度变宽了。这与上文实验结果有所出入，可能是由于脂肪酸原材料的纯度和产地不同造成的。因此，原料的选取对材料的性能有很大影响。
2.2012年1月20日，中国科学院上海硅酸盐研究所的黄富强等人申请了他们的最新专利：三维石墨烯/相变储能复合材料及其制备方法。三维石墨烯/相变储能复合材料的特征在于石墨烯与相变储能材料原位复合，其中以具有三维结构的多孔石墨烯作为导热体和复合模板，以固-液相变的有机材料作为储能材料和填充剂。可以采用兼具曲面和平面特点的泡沫金属作为生长基体，利用CVD方法制备出具有三维连通网络结构的泡沫状石墨烯材料。通过该方法制备的石墨烯材料完整的复制了泡沫金属的结构，石墨烯以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有优异的电荷传导能力，巨大的比表面积，孔隙率和极低密度。并且，这种方法可控性好，易于放大，通过改变工艺条件可以调控石墨烯的平均层数，石墨烯网络的比表面积，密度和导电性。以金属模板CVD法制备的三维石墨烯泡沫具有丰富的孔结构特征，其比表面积高，孔壁孔腔高度连通，为基体材料提供可复合填充的空间。若将三维多孔石墨烯和相变材料复合，相变储能材料被分隔在各个孔腔，与石墨烯壁紧密结合，有效热接触面积大幅度提高，高度连通的石墨烯三维导热网络通道将快速实现系统换热。另一方面多孔石墨烯的毛细吸附力将液态相变储能材料局域化，可有效防止渗透。
3.2012年6月来自于中国科学院能源转换材料重点实验室，上海硅酸盐研究所的周雅娟，黄富强等人发表了一篇名为太阳能材料和太阳能电池的论文，这篇论文重点讲解了他们最新研制出的一种由石墨烯三维气凝胶（GA）和硬脂酸（OA）组成的相变材料。GA是通过石墨烯氧化物在热水表面反应制得，三维石墨烯网络的空隙尺寸只有几微米而且薄壁墙是石墨烯片层堆积而成，OA通过GA的毛细管力牵引下进入到GA中。GA/OA复合材料的热稳定性达到了2.635W/mk，是OA的14倍。GA/OA复合材料的短暂升温和冷却过程是在为热能量存储做准备。GA是一种低密度材料因此在复合材料中仅占15%的比重，这种复合材料能够大大减少或消除材料内部的热电阻，表现出一种高储热的能力，达到181.8J/g，与独立的OA材料非常接近，研究中发现，大多数相变材料的热储存能力都较低，为了提高材料的热传递能力，金属泡沫添加剂进入了专家们的视野，然而他们进一步发现金属泡沫添加剂与原材料不兼容。经过数次实验得出的结论，石墨烯材料具有很好的热稳定性和热传递能力，并且与原材料兼容。由石墨烯片层组成的三维网络结构在相变材料领域有着巨大的潜力。
4.来自于浙江杭州辐射研究所的邢芳，李悟凡等人发表了关于烷烃类相变材料的文章。烷烃及其混合物由于自身的中低温度热能量储存能力已经被广泛应用于相变材料中。在这些烷烃中，熔化温度为37度的二十烷已经出现在诸如电子领域的基于能量储存的被动热管理技术中。为了提高二十烷的热导性，将石墨烯纳米片添加进二十烷这个课题正在试验中。这种复合相变材料是将石墨烯纳米片均匀分布在液体的二十烷中。通过扫描量热计测量它的热融合和融化点，我们发现在10度的时候热传导能力整整增加了4倍，这表明石墨烯纳米片相对于传统的一些填充来说有着更好的表现。石墨烯纳米片的两维平面形态降低了热表电阻，这也是为什么它效果这么好的原因。扩大的石墨烯片层有着高导电性和低密度性，能有效地增强相变材料的热性能。
5.同济大学材料科学与工程学院的田胜力、张东、肖德炎等人利用多孔石墨的毛细管作用吸附硬脂酸丁酯制成了一种定形相变材料的相变温度、相变潜热和热稳定性，得出硬脂酸丁酯含量的临界值。研究表明，硬脂酸丁酯与纳米多孔石墨形成的定形相变材料相变温度合适、相变潜热较大、热稳定性好，是适合于在建筑墙体中使用的相变材料。对不同含量的硬脂酸丁酯/多孔石墨复合材料利用差热扫描仪进行DSC测试显示，相变复合材料的峰值温度为26℃，与纯硬脂酸丁酯的熔点相同，即定形相变材料的熔点不变，为硬脂酸丁酯的熔点。定形材料的潜热随硬脂酸丁酯含量的变化而变化，硬脂酸丁酯含量越高，定形相变材料的相变潜热越大，近似呈线性关系。此定形相变材料的蓄热性能、均匀性和热稳定性好，具有较大的相变潜热，其相变温度在26℃，适合做室温相变材料，有助于建筑节能。此定形相变材料中硬脂酸丁酯的含量又一个渗出临界值，当硬脂酸丁酯质量含量达到90%时，有细微渗出，使用时建议把含量控制在85%以内。这种定形相变材料在经过多次热循环之后其相变潜热变化较小，具有良好的热稳定性。因此，硬脂酸丁酯/多孔石墨相变材料是较好的可应用于建筑墙体的相变材料。
6.2013年，新乡学院能源与燃料研究所的周建伟等人以氧化石墨烯为基质、硬脂酸为储热介质用液相插层法成功制备了硬脂酸/氧化石墨烯相变复合材料。其中以氧化石墨烯维持材料的形状、力学性能，把硬脂酸嵌在片层结构的氧化石墨烯基质中，通过相变吸收和释放能量，提高其储热、导热性能和循环性能。该相变材料具有适宜的相变温度和较高的相变潜热，相变材料与基质具有较好的相容性，在相变过程中没有液体泄漏现象，复合相变储热材料储/放热时间比硬脂酸减少，且热稳定性良好。实验表明，硬脂酸质量分数为40%的硬脂酸/氧化石墨烯复合相变材料的相变温度为67.9℃，相变潜热为289.2J/g。经过连续冷热循环试验发现，复合相变材料的储热/放热时间比纯硬脂酸缩短，相变温度和相变潜热变化较小，表明硬脂酸/氧化石墨烯复合相变材料具有良好的热稳定性和兼容性。因此，通过此方法一方面将硬脂酸局限在片层结构中，解决了相变过程中的渗出泄露问题；另一方面，利用氧化石墨烯良好的热传导性提高复合相变材料的传热效率，弥补了硬脂酸在导热、换热方面的缺陷。
7.2013年10月12日到10月16日，在上海举办的中国高分子学术论文报告会上，四川大学高分子材料科学与工程学院亓国强等人提出了他们的最新成果：聚乙二醇/氧化石墨烯定型相变储能材料的制备与性能研究，研究发现聚乙二醇（PEG）是一种性能优良的固-液相变储能材料。相变过程中会发生熔体流动泄露，故需要对其进行封装，但封装又会降低其热导率，影响工作效率，增加成本。因而加入另一种物质作为支撑定型材料，制备复合定型相变材料成为另一种选择。但通常过高的添加量会严重影响材料的储能性能。于是通过向 PEG 中加入氧化石墨烯（GO）作为定型支撑材料，用溶液共混法在 GO 含量仅为 8%时成功制备了 PEG/GO 定型相变储能材料。该材料在超过熔点一倍时仍保持形状稳定。GO 的加入对相变材料熔点基本没有影响，但在低含量下促进结晶，当含量高于 4wt%时阻碍结晶的进行。相变潜热随 GO 含量的提升有所下降，但在能维持材料定型的最低含量（8wt%）时，仍高达 135 J/g，可以有效应用于储能领域。该材料在经历 200 次升降温循环后，相变温度和相变潜热变化不大，较稳定，具有良好的可重复使用性。
8.远在大洋彼岸，来自于加州大学河滨分校，加利福尼亚大学的Pradyumna Goli, Stanislav Legedza, Aditya Dhar 等人一直在进行关于锂电池的研究。锂电池在在移动通讯和交通动力中扮演着重要角色，但是由于其自身的自加热作用使得使用寿命大大缩短，为了解决这一问题，学者们经过大量实验发现锂电池的可靠性通过将石墨烯作为填充材料能够大大的改善。传统的热管理电池由于其相位只在一个很小的温度范围内变化，减小了电池内温度的上升，故只能依赖于潜在的储热能。而将石墨烯掺入碳氢化合物相变材料中可以将其导电能力提高到原来的两个数量级倍，同时还保持潜储热能力。显热-潜热相结合的热传导组合能够大大地减少锂电池内部温度的上升。储热-热传导的方法即将在锂电池和其他类型电池的热管理领域引领一场变革。
9.2008年4月24日来自于首尔崇实大学工学院建筑系的Sumin Kim a, Lawrence T.Drzal b等人研制出了一种具有高导电性和高储热能力的相变材料。使用剥离的石墨烯纳米片，石墨烯相变材料可以提高在液晶中的高导电性，热稳定性以及潜储热能力。在扫描电子显微镜显示下，石墨烯相变材料均匀分布在液晶中，而良好的均匀分布意味着高导电能力。石墨烯复合相变材料的热稳定能力在石墨烯内部结构的帮助下得到提升。而且，由于相变材料的电热稳定性，石墨烯复合相变材料具备了可持续再生能力。石墨烯相变复合材料在差示扫描热量法的热曲线中有两个峰，第一次在固-固过渡阶段，温度较低，峰显示为35.1度；第二次是固-液相变阶段时温度较高，峰显示为55.1度。石墨烯可以在保有其潜储热能力的情况下提高材料的热稳定性。相变材料具有高储热，低成本，无毒和无腐蚀性等特点而具有美好的前景。最近，一些无机，有机以及它们的混合物正在被应用于相变材料中，成为热门的研究课题。
10.Fazel Yavari等人在2011年也就石墨烯作为改性添加剂改良十八醇相变材料在《Physical chemistry》上发表了文章。和很多有机相变材料一样，十八醇也具有热导率低，换热性能差，以及存在泄漏问题等缺点。Fazel Yavari等人的研究表明，由于石墨烯低密度、高导热的特点，添加很低含量的石墨烯，就可以达到显著提高热导率、改良十八醇的目的。然而由于部分相变材料分子被限制在石墨烯层间空隙中，在工作温度范围并没有发生相变，从而使加入石墨烯后的复合材料的相变焓低于原相变材料，造成储热能力的损失。实验中，当石墨烯含量（质量分数）达到4%时，材料的热导率增加到原来的2.5倍，此时其相变焓只降低了15.4%。而如果用银纳米线代替石墨烯，要达到同等的热导率，需要使其含量达到45%，并带来高达50%的相变焓损失。综合实验表明，相比于其它微型添加材料，石墨烯能在不造成明显储热损失的前提下明显改良有机相变材料的热性能，为通过潜热的储存/释放实现热管理和热保护提供了新的可行性方案。
11.Jia-Nan Shi ,Ming-Der Ger等人2013年在期刊《CARBON》上发表文章，阐述了有关石墨烯提高石蜡导热系数的研究成果。实验另辟蹊径，对比了剥离石墨薄片和石墨烯作为改性添加剂对于石蜡相变材料的不同影响。实验结果表明，剥离石墨薄片带来的热导率增量更高，石墨含量为10%的石蜡/石墨薄片复合材料的热导率为纯石蜡的十余倍。石墨烯表现出了极好的导电性，石蜡/石墨烯的电导率要远高于石蜡/石墨薄片，但是其热导率的增量比石墨薄片小。原因在于，虽然单层石墨烯热导率极高，但是石墨烯片层间微小空隙内存在的大量界面严重阻碍了热传导。同时，实验也发现，石墨烯在定形方面的作用要远过于石墨薄片。石墨含量2%的石蜡/石墨烯相变复合材料中，石蜡能在185.2℃高温下保持形态，这远远超过了石蜡相变的温度范围。而石蜡/石墨薄片复合材料中石蜡只能保持形态到67.0℃。少量的石墨烯和剥离石墨薄片都能作为低成本、高效率的改性添加剂应用于石蜡相变材料的导热和定形方面的改良。
12.马来西亚的Mohammad Mehrali等人对石蜡/石墨烯相变复合材料进行了系统的研究和测试。该项目应用了SEM、FT-IR、TGA、DSC等设备对制得的石蜡/石墨烯复合材料的材料特性和热学性能进行了测试和分析。所测试的石蜡质量分数为48.3%的样品在相变过程中无泄漏现象发生，为定形相变材料。SEM图像显示石蜡嵌入了石墨烯片层间的孔隙。FT-IR分析结果显示石蜡与石墨烯之间没有化学反应发生。试验进行了2500次熔化/凝固热循环检测来确认其热可靠性和化学稳定性。TGA测试结果显示，氧化石墨烯增强了复合材料的热稳定性。该相变复合材料的热导率从0.305(W/mk)显著提升到0.985(W/mk)。测试结果表明，石蜡/氧化石墨烯复合材料具有良好的热学性能、热可靠性、化学稳定性和导热性，很适合做热管理和热储存材料。总结：
相变储能材料，通过材料相变时吸收或释放大量热量实现能量的储存和利用，以其巨大的相变潜热，在未来的能源利用和热管理领域具有很广泛的开发和应用价值。而大多数相变材料存在的导热率抵、换热性能差、相变过程发生泄漏等缺陷使其很难直接被应用于生产生活中。因此，需要一种改性填充材料来增加相变材料的导热换热性能，同时需要对相变材料进行定形和封装。而石墨烯材料的发现和研究成果的公布，给相变材料的研究和应用指明了道路。一方面，石墨烯的高导热性能很好地改善了相变材料的热性能，同时，其良好的化学稳定性和热学可靠性使其作为改性添加剂不与相变材料本体发生化学反应；另一方面，低密度、高强度的石墨烯结构能够使复合材料在较低石墨烯含量下就达到所要求的定形效果，因此，相比其他改性添加剂，石墨烯对相变材料的相变温度、相变潜热和储热能力的减益效果要小得多。正是从这两方面出发，石墨烯作为导热定形的改性材料，在相变储能材料领域得到广泛认可和应用。大量实验采用了以相变材料作为工作物质，通过其相变过程储/放热，同时以石墨烯作为载体基质，增加材料导热性能和不流动性的实验思路进行相变导热材料的设计、制备和改良。相信随着对石墨烯研究的深入和石墨烯制备工艺的进步，石墨烯会以更突出的性能改良相变材料，从而获得更有实践和应用价值的石墨烯/相变复合储能材料，为能源可持续和热管理领域带来更大的发展，为人类创造出更科学、更环保、更舒适的生活环境。
参考文献：
【1】田胜力, 张东, 肖德炎, 等.脂肪酸相变储能材料热循环行为的试验研究[J].材料开发与应用,2006,21(1):9—12.【2】亓国强 李亭 杨伟 谢邦互 杨鸣波 聚乙二醇/氧化石墨烯定型相变储能材料的制备与性能研究 成都 四川大学高分子科学与工程学院 2013 【3】Yajuan Zhong Mi Zhou Fuqiang Huang Tianquan Lin Dongyun Wan Solar Energy Materials and Solar Cells Beijing State Key Laboratory of Rare Earth Materials Chemistry and Applications, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, 2013 【4】Xin Fang,†,‡ Li-Wu Fan,*,†,‡ Qing Ding,†,‡ Xiao Wang,†,‡ Xiao-Li Yao,†,‡ Jian-Feng Hou,† Zi-Tao Yu,†,§Guan-Hua Cheng,∥ Ya-Cai Hu,† and Ke-Fa Cen§ Increased Thermal Conductivity of Eicosane-Based Composite PhaseChange Materials in the Presence of Graphene Nanoplatelets Zhejiang 2012 【5】田胜力, 张东, 肖德炎.硬脂酸丁酯/多孔石墨定形相变材料的实验研究[J].节能,2005,11:5—6.【6】周建伟, 程玉良, 王储备 等.硬脂酸/氧化石墨烯复合相变储热材料研究[J].化工新型材料,2013,41(6):47—49.【7】黄富强 仲亚娟 陈剑 万冬云 毕辉 三维石墨烯/相变储能复合材料及其制备方法 上海市长宁区定西路1295号 中国科学院上海硅酸盐研究所 2012 【8】Pradyumna Goli, Stanislav Legedza, Aditya Dhar, RubenSalgado, Jacqueline Renteria and Alexander A.BalandinGraphene-Enhanced Hybrid PhaseChange Materials for ThermalManagement of Li-Ion Batteries USA Nano-Device Laboratory, Department of Electrical Engineering and Materials Scienceand Engineering Program, Bourns College of Engineering, University of California 2013
【9】Sumin Kim a,Ã, Lawrence T.Drzal b Solar Energy Materials & Solar Cells USA Department of Architecture, College of Engineering, Soongsil University, Seoul 156-743, Republic of Korea Composite Materials and Structures Center, College of Engineering, Michigan State University, East Lansing, 2008 【10】Fazel Yavari, Hafez Raeisi Fard, Kamyar Pashayi,etc.Enhanced Thermal Conductivity in a Nanostructured Phase Change Composite due to Low Concentration Graphene Additives[J].J.Phys.Chem.C 2011, 115, 8753–8758.【11】Jia-Nan Shi , Ming-Der Ger , Yih-Ming Liu.Improving the thermal conductivity and shape-stabilization of phase change materials using nanographite additives[J].CARBON,51(2013): 365—372.【12】Mohammad Mehrali, Sara Tahan Latibari, Mehdi Mehrali.Shape-stabilized phase change materials with high thermal conductivity based on paraffin/graphene oxide composite[J].Energy Conversion and Management,67(2013): 275—282.
点击咨询 