浅析石墨烯在航海保障中的应用

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摘 要：石墨烯以其具有的强导电导热性、超强拉伸能力等特性，成为世界最受关注的新型纳米材料，它的这些特性非常适合在航海保障领域内使用和推广，本文结合航保领域的实际应用，通过石墨烯在超级电容、太阳能电池、力学性能、防腐性能四个方面的应用进行分析，展望石墨烯将对航海保障领域带来的改变。

关键词：航海保障 超级电容 太阳能 电池力学 防腐

1.引言

航海保障事业主要包括航标、测绘、通信三大业务版块。目前，我国航海保障领域内所使用的大部分设施设备仍然是传统工艺。这些传统的工艺、技术已经无法满足日益增长的航海保障需求。那么新材料、新技术的引入，将是航海保障未来发展的必然途径。近年来，石墨烯材料是世界最受关注的新型纳米材料，它所具有超级电容、复合材料等很多方面的特性，非常匹配航海保障事业中的需要。在未来石墨烯材料必将广泛应用于航海保障事业中，带来翻天覆地的变革。本文通过电池改进、吊机改进、防腐改进、电子元件改进四个方面在航海保障的应用，浅析石墨烯对提高航保智能化、科技化的作用。

2.背景

石墨烯是目前人类发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。它是由一层碳原子构成的六角型蜂巢晶格平面薄膜，一种稳定苯圆环结构的纳米材料。石墨烯原本就存着于自然界，一层层叠起来就是石墨。形象的说，1mm厚的石墨，大约包含300万层石墨烯，我们用铅笔在纸上轻划，留下的痕迹就可能是几层石墨烯。石墨烯之所以一直以来没有被人们发现和重视，是因为它难以剥离出单层结构。直到2004年，科学家在实验中用微机械力法从石墨中分离出石墨烯。石墨烯才正式的出现在世人面前，它的众多优秀的特性决定了它在众多领域具有深远的科学意义。（附表1）

3.特性及其应用

3. 1超级电容

现状：航海保障中广泛使用的铅酸蓄电池一直以来就是被诟病的部分。灯浮标中使用的铅酸电池容量为160Ah，每块为20KG，每个灯浮标使用2块。灯塔内使用为大型灯器供电的铅酸电池组，每块30KG，18块为一组，共2组，一组备用。铅酸电池使用周期短，每月都需要进行相应的电流电压检测，电压达不到就需要更换，为此投入的人力物力非常之大。加上灯塔多在于孤岛岬角，水标需要跳标，人工搬运。铅酸电池非常重，维修更换十分不便。人们尝试使用锂电池代替铅酸电池，但是因为锂电池中所使用的电极材料锂是活跃金属，在高温高盐环境下很不稳定，不适合在航标、灯塔中使用。

展望：那么石墨烯材料制成的超级电容就可以很好的解决上述的困难。超级电容器，即电容很大而且能充电迅速的电容器。超级电容器最核心技术是其所采用的电极材料，要求电极具有较高的比表面积、良好的导电性。石墨烯分子机构中电子或者空穴可以在共轭体中高速移动，就形成了石墨烯的层与层之间中的载流子，这种载流子的传输性能，可以近乎光速的速度移动，而且基本不受温度影响。结构赋予的高导电性、高比表面积非常满足超级电容器的电极材料要求。因此将石墨烯作为电极材料制作卷绕式电容器，得到电容值很大的电容器单体，这种超级电容存储的电能很大，充电时间很短，通俗的说，如果用在电动汽车上，充电1分钟，可以跑300公里。

3.2超高效太阳能电池

现状：太阳能电池，航保业务中多为涉海工程，使用市电的情况很少，采用的能源大多使用太阳能发电。太阳能电池在当今社会，技术已经是比较成熟，一般的方法是利用半导体化合物，常见的就是晶体硅，作为光催化剂制成太阳能电池。光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳，将电子从共价键中激起，接通电路后就形成电流。特点就在于界面层发作的电子-空穴对越多，电流越大，界面层接纳的光能越多。目前使用的硅板太阳能，在阳光不充足的时候无法满足正常供电需求。

应用：那么用石墨烯制成的光催化活性材料来代替硅、锗化合物，将会大大提升太阳能转化效率。因为从上述的光伏效应原理分析，石墨烯具有更加优异的电化学和光学性能，其界面面积大可以有效分离激子及传输载流子，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率；另外，在聚合物太阳能电池中，石墨烯可以用作缓冲层减缓电子空穴的复合，提高稳定性、转化效率。石墨烯还具有透明导电性能，这使得包括中远红外线在内的所有红外线具有高透明性。石墨烯的导电率将高达ITO（铟锡氧化物，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性）的几倍并且可以保证90%光透射率，提供了制造超高效太阳能电池的保障。

3.3力学性能

现状：航保事业仍然是的劳动力密集行业，船舶作业，浮标、锚链、沉块等起吊保养更换，灯塔灯笼搬运等。都是需要大量的机械和人工作业。以浮标为例，浮标的材质多为钢质，往来船舶经常会和浮标发生碰撞，导致浮标灯架受损。而浮标的保养又比较复杂，浮标维护方式首先需要航标作业船，船甲板上装有吊机，然后航标作业船慢慢靠近浮标，然后人工用绳索套住浮标，使浮标靠近船舷，最后作业人员选择时机跳上漂浮不定的浮标。加上浮标定位用的锚链非常沉重，人工作业存在安全隐患，非常不利于航保事业的发展。

展望：那么石墨烯是目前世界上强度最高的物质、也是最强韧的材料，试验表明在石墨烯样品微粒每100纳米距离上可以承受最大大约2.9 微牛的压力。这就意味着而且，石墨烯的断裂强度比最好的钢材还要强200倍。同时，石墨烯有很好的弹性，质量小，可以用来代替钢材。用石墨烯材料制作的吊机、吊绳、浮标、锚链、完全可以达到，重量轻、强度大、耐腐蚀等优秀的物理、化学特性。如果在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能让塑料导电；加入千分之一的石墨烯，就能使得塑料的提高30摄氏度抗热性。在此基础上研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧性新型材料用于制造船舶、吊机、吊索、新型浮标，乃至灯塔等。必将大大减轻航标作业的人力物力投入，减少浮标因船舶碰撞造成的损坏，从而减少更换保养的次数，实现安全可靠的作业方式，为航保事业的发展提供助力。

3.4防腐性能

船舶，浮标、锚链都是钢质材料，长期在高温高盐的海洋环境中，虽然采用了油漆涂层物理防腐、附着锌块牺牲阳极化学防腐、毒性油漆阻碍海生物附着生物防腐，但是还是会在一段时间后产生锈蚀。在锈蚀后，航标工人就需要吊起浮标，更换锚链，除锈后喷漆再次使用，这是一项很需要人力物力投入的工作。

展望：那么石墨烯涂料在防腐方面也具有很优异的性能，使用它可以制成防腐涂料、聚合物涂料、抗静电涂料等。石墨烯用于涂料中可制备纯石墨烯涂料、石墨烯复合涂料，和石墨烯氧化物涂料，据研究表明这些防腐涂料能在相对苛刻腐蚀环境里应用，并具有能达到比常规防腐涂料更长保护期，尤其是石墨烯氧化物涂料，其防腐性能是普通的油漆防腐性能的数倍，异常坚硬，甚至可以抗强腐蚀性酸。这些特性用在航海保障行业中，必将大大减轻航保作业的工作量，减轻人力物力。

3.5其他

石墨烯还是已知导电性能最出色的材料。电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远超过电子在一般金属导体中的运动速度。这种特性适合于高频电路，航保中使用的雷达应答器，导航系统，都是需要高频电路的。同时，石墨烯可以展望它在未来全面取代硅，成为生产超级计算机的材料。

4.存在问题

石墨烯确实具有很多的优秀特性，但是也存在一些问题。

（1）严格意义上完美无瑕的石墨烯是不存在的，目前实际制备获得的石墨烯大都具有缺陷和非碳原子官能团，缺失的程度将影响其性能，和理想状态下的石墨烯还是有差距。

（2）石墨烯材料目前价格较为昂贵，实验室制备的产量尚不能广泛应用于市场。离工业化量产还有需要一段时间的发展。

（3）氧化石墨烯纳米颗粒对人体很可能是有毒的。而且它的优异特性导致它在地表水里非常稳定、极易扩散。所以它对环境影响下还需要进一步论证，否则一旦大面积使用，就像现在社会使用的塑料一样难以降解，就会带来不必要的麻烦。

5.结束语

石墨烯自发现以来就备受各个研究领域的青睐。我国的石墨烯产业化正蓬勃发展，多个以石墨烯为基材的产品已经问世，产业化高质量和更低价格的石墨烯可能将很快实现，加上我国的石墨资源丰富。我们有理由相信在不久的将来航海保障事业也必将随着未来的生产生活方式改变，走向更加科技化智能化。