《宁波市材料学会会讯》2014年第2期

宁波市材料学会简介

<span 宁波市材料学会成立于2000年，业务主管单位为宁波市科学技术协会，挂靠于中国兵器科学研究院宁波分院。学会现有包括兵科院宁波分院、中科院宁波材料所、宁波大学、宁波工程学院、宁波科宁达工业有限公司、宁波韵升集团有限公司、宁波博威集团有限公司、宁波大成新材料股份有限公司、宁波晶元太阳能有限公司、宁波广博纳米材料有限公司等团体会员36家，拥有宁波市相关高校、科研单位、材料产业骨干企业的个人会员93名。
学会的主要工作包括开展学术交流与培训，邀请院士、国内外著名材料专家举办大型的论坛、学术报告，拓展科研人员专业视野，提高技术水平；协办国际、全国性学术活动，扩大学会社会影响力；开展材料领域科学知识普及工作；评选优秀学术论文和技术成果；申报厂会协作等科研项目，推进产学研协同攻关，促进材料技术创新；承担市材料领域企业情况的数据收集和分析、企业技术需求调研等工作；举办各类服务会员活动。
近年来，学会以学术交流、服务于创新发展，科学普及和会员服务等为重点，积极推进学会事业发展。学会以宁波市学术大会、天一论坛、重点学术活动、高端学术沙龙等我市学术交流平台为依托，围绕磁性材料、先进高分子材料、高端金属材料、能源材料等宁波特色优势产业技术领域和正在发展中的战略性前沿材料技术领域，不断繁荣学会学术交流，初显出学会材料科技学术交流品牌效应。
学会把服务于创新发展作为促进我市经济发展方式转变、建设创新型城市的着力点，进一步加强了与中国兵工学会、中国材料研究学会等全国学会的联系与合作，引进科技资源和科技成果资源；加强与我市材料类行业协会的合作，进一步扩大服务范围，使创新服务任务落地；抓住材料军民通用性强的基本特点，组织论坛、对接会等活动，开展军民融合机制创新研究，服务于企业军民融合发展；开展厂会协作项目，解决企业技术难题；承担宁波国家新材料高新技术产业基地的统计与管理、宁波市新材料产学研技术创新联盟管理与运行等工作；取得了良好的社会效益。
学会重视材料科普活动，通过摄影、展板、作品等多种方式，及时把材料战略前沿和技术创新成果向公众传播，促进公众理解材料科技，让材料科技深入社会。
学会树立会员为本的理念，采取多种方式努力做好会员服务工作。开展了学会优秀创新成果评选，推荐自然科学优秀论文，积极举荐优秀科技人才；推荐科技人员科技创新成果在科技杂志上发表，向会员赠订新材料专业杂志；开展材料科技工作者状况调查，充分了解、掌握一线材料科技工作者的状况，使学会成为反映科技工作者诉求的重要渠道，助力科技人才健康成长、发挥聪明才智，营造良好的社会环境。
学会动态
“千人计划”专家张壁来甬做讲座
6月27日，宁波市材料学会邀请了国家“千人计划”张璧博士在宁波市做报告。宁波市材料学会副理事长、北方材料与科学工程研究院副总经理纪松主持了报告会，70位科研人员聆听了专题报告。
   张璧博士的增材 /减材制造技术发展与应用主题报告，增减材复合制造显著减轻结构重量、节省材料，全新的设计原理、加工技术、质量与精度控制方法。
    本次论坛进一步活跃了我所科技人员热爱材料科学的学术氛围，扩大了科研人员新材料领域的技术视野和知识面。高效率、高精度、高性能、低成本的增减材复合制造已经成为工业生产的需求，增减材复合制造必将得到广泛应用。学术气氛热烈，论坛在精彩的互动中圆满结束。

神奇的石墨烯材料
（王志锋   中国兵器科学院宁波分院）
1概念内涵
   石墨烯（Graphene）是一种二维碳材料，石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层相同，是碳原子以sp2杂化轨道呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子网格。
 
石墨烯分子结构
2特性
——重量轻，石墨烯的质量非常小，一个立方米的重量仅仅有0.77克。
——超高强度，石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料其强度却是同等厚度钢的100倍。，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；
——导电性极强，石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
——超大比表面积：由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，即0.335纳米，所以石墨烯拥有超大的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630 m2/g，而普通的活性炭的比表面积为1500 m2/g，超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。
3应用前景
——锂离子电池
锂离子电池已经成为当前用途最广泛、前景最广阔的电池能源，石墨烯加入到锂离子电池中能够大幅提高导电性。而且实验表明，将石墨烯应用于锂离子电池的负极材料中，
其比容量可以达到540mAh/g 以上，如果在其中参入碳纳米管后，负极的比容量可以达到730mAh/g，而目前普通的人造石墨负极的比容量只有370mAh/g，可见石墨烯作为负极材料能够大幅提高锂离子电池性能。随着世界各国对新能源汽车的大力推广，未来对于锂离子电池的需求量也将保持持续增长的态势；根据IEK 的预测，2008-2013 年全球的负极材料的需求量将保持年均20%的增长率，到2013 年全球的负极材料需求量将达到3.7 万吨以上。
石墨烯能够大幅提升锂离子电池性能，未来将在负极材料领域有广阔的市场前景。2014年12月，班牙Graphenano公司(一家以工业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好 产品的三倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。虽然此电池具有各种优良的性能，但其成本并不高。 Graphenano公司相关负责人称，此电池的成本将比锂电池低77%，完全在消费者承受范围之内。此外，在汽车燃料电池等领域，石墨烯还有望带来革命性进步。
 

 
据媒体报道，这种“超级电池”已在德国两大汽车巨头的汽车上进行试验，并在2015年第一季度生产上市使用。业内人士认为，“超级电池”一旦大规模应用到电动车上，对整个行业将是颠覆性的。随着相关技术的成熟并进入量产应用阶段，电动汽车电动汽车商业化时代将全面到来。
——超级电容器
超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，能够在几秒钟
内完成充电，其容量能够达到几百甚至上千法拉；具有容量大、功率高、使用寿命长等特点。超级电容器不同于电池，在充放电时不会发生化学反应，电能的存储或释放都是通过静电场建立的物理过程完成的。超级电容器的结构和普通电容器类似，在两极板中间添加了一个隔膜，而且超级电容器的电极材料选择的较为特殊。

普通电容器和超级电容器结构
碳材料是最早也是应用最为广泛的电极材料，目前使用的碳材料主要包括活性炭、活性碳纤维、炭气凝胶等，这些碳材料的基元都是石墨烯。由于超级电容器是通过导体表明来存储电荷，所以适合电子聚集的有效表面积越大其容量就越大；而石墨烯具有超大的比表面积，单层石墨烯的比表面积能都达到2630 m2/g，是极为理想的超级电容器储能材料。实验表明使用石墨烯作为电极的超级电容器能够产生相同体积电容器6 倍以上的容量，大大提高了超级电容器的性能。目前全球超级电容器的应用领域主要集中在数码相机、电动车系统、变配电站、智能水表、太阳能发电和风能发电等领域；作为技术发展的方向，未来超级电容器的市场规模将保持快速增长，特别是在一些需要高功率、高效率的领域，超级电容器已经开始替代传统电池。
2010 年全球超级电容的市场规模将达到50 亿元，并保持着20%的增长速率。而石墨烯作为电极制成的超级电容器将在性能上有极大的提高，未来随着超级电容器的逐步推广，石墨烯也将面临巨大的市场空间。
2013年初，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型
超级电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍，可以在数秒内为手机甚至汽车充电，同时可用于制造体积较小的器件。 
微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展。当前主要制造微型电容器的方法是平板印刷技术，需要投入大量的人力和成本，阻碍了产品的商业应用。以后只需要常见的DVD刻录机，甚至是在家里，利用廉价材料30分钟就可以在一个光盘上制造100多个微型石墨烯超级电容。
——石墨烯柔性显示器及触摸屏
目前的显示器和触摸屏等器件中的导体材料，主要是使用的氧化铟锡ITO 材料。但由于ITO材料韧性相对较差，在折叠或是拉伸时可能会影响现象的效果。石墨烯由于由于其特殊的分子结构而有非常高的导电性，而且石墨烯几乎完全透明；这两种性质使得石墨烯本身就是一种性能非常好的透明导体材料，适合用于制作显示器件。石墨烯的另一个特性是具有高韧性，能够拉伸20%而不断裂。使用石墨烯作为导体材料，能够制成可以折叠、伸缩的显示器件。目前触摸屏和液晶显示器主流的透明导体材料是ITO 材料，但相比ITO 材料，石墨烯拥有更高的强度和更好的韧性，作为透明导体材料，能够制成可以弯曲折叠的显示器件。

 
 
2011 年全球仅触摸屏所需要的ITO 导电玻璃就近4500 万片，加上公共查询、医疗仪器和游戏机等方面的应用，预计2011 年ITO 导电玻璃的市场容量在8500-9500 万片，石墨烯将具有很大的替换空间。三星、索尼、辉锐、3M、东丽、东芝等龙头企业均在此领域作了重点研发布局。
——石墨烯红外探测器
2014年，美国密歇根大学石墨烯开发出一种只有指甲盖大小的红外线图像传感器。与目前常见的中红外和远红外图像传感器不同，新技术无需笨重的冷却装置就能运行，首次实现了在室温下对全红外光谱的观测。如果能够将这种探测器集成到隐形眼镜或其他可穿戴电子设备当中，将有望为人们提供一种前所未有的、与环境进行交互的新方式。同时，该技术也为红外线技术在军事、安保、医学等多个领域中的应用开辟了新的想象空间。
 
 
研究人员通过分离具有隧道层的两张薄石墨烯，成功地分离了电子和空穴，生成了大电流。通过将下部的石墨烯层做成晶体管，可以将电流放大到可应用水平。目前的红外探测器需要冷却，而这种超宽频带光电探测器却可以在室温下工作，为在热寻导弹的热(IR)检测器的应用和其他军事应用开辟了可能。
    这种石墨烯基的光电探测器克服了以前的二极管石墨烯光电探测器的设计局限性。研究人员只处理了一个原子层的碳，所以石墨烯只能吸收2.3%的从可见到近红外光谱区的光。底层石墨烯晶体管作为局部放大器可将光响应放大成百上千次，超越了以前的石墨烯装置的性能。
研究人员在两层石墨烯之间夹了一层5纳米厚的Ta2O5作为隧道层，以形成很薄的光电探测器。研究人员可以通过掺杂或替换新材料作为隧道层，以得到他们期望的性能。Ta2O5是一个带隙绝缘体，是大型的能障。这对可见光起很好的作用，但对红外效果不好。如果换成硅隧道层，硅电导频率比石墨烯本征费米能级仅高0.5eV，对红外波长有更好的响应。大多数应用中要求中红外光子响应率高于1A/W。    未来的工作将包括试验各种不同隧道层及用半导体薄膜代替设备底层(晶体管) 的石墨烯。
——防弹背心
石墨烯和碳纳米管复合纤维比通常用于制备防弹背心的凯夫拉纤维具有更高的强度。澳大利亚研究人员发现了一种制备比凯夫拉纤维更强的石墨烯复合纤维的方法。添加等量的石墨烯和碳纳米管制备超强纤维可用来制造防弹衣织物，这种纤维同样可用来强化其他材料。
——石墨烯场效应晶体管
石墨烯被认为是替代硅的理想材料，大量有实力的企业均开展了石墨烯半导体器件的研发。美国哥伦比亚大学研发出石墨烯－硅光电混合芯片，在光互连和低功率光子集成电路领域具有广泛的应用前景。IBM的研究人员开发出了石墨烯场效应晶体管，其截止频率可达100GHz。
学会大事记
一、2014年5月21日,宁波市材料学会组织陈先荣等九名专家，在宁波国家高新区创新港召开2009-2013年宁波市材料学会优秀论文和技术成果评审会。评审会从征集的论文中评选出优秀论文20篇和优秀技术成果8项。
二、2014年6月5日,召开宁波市材料学会2014年第一次常务理事会,确定于7月2日召开第三届会员大会,审议通过第三届会员大会议程,第二届工作报告等内容。
三、2014年6月25日, 邀请新加坡南洋理工大学卢国兴博士来甬讲学。讲座主题为“结构和材料的能力吸收与冲击响应”。
四、2014年6月27日, 宁波市材料学会邀请张壁教授（美国康涅狄格大学终身教授、中组部大连理工大学“千人计划”专家）来甬讲学。