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2018-08-01塗料科學裡的堅韌因子 584 期

Author 作者 陳俊翔/臺灣科技大學化學工程學系碩士班。 由臺灣科技大學化學工程學系副教授江偉宏審訂。
地球上有許多以碳為主要元素所形成的同素異形體,這些同素異形體都可透過「石墨烯 (graphene)」層層堆疊、剪切並加以組成,如零維的碳六十(C60)、一維的奈米碳管、 二維的石墨烯及三維的石墨等,而這些同素異形體也已經在實驗與理論上被廣泛的研究。 然而,除了學術研究外,石墨烯的真實應用端範圍非常廣泛,從電子產品到生物醫學,甚 至航太裝置都可以用石墨烯當作原料。其中,最常拿來應用的領域為電子設備方面,尤其 適用於訊號頻率較高的高頻電路,舉凡電腦、手機和穿戴裝置等都屬此類範疇。

歷史回溯

早在1974 年,理論學家瓦拉斯(P.R.Wallace)就曾利 用緊束模型(tight-binding model)研究石墨烯的電子 特性。石墨烯是一種由碳原子以六角形成蜂巢晶格 (honeycomb crystal lattice)排列構成的單層二維晶體 平面結構,這種結構過去一直被認為是無法單獨穩定地存在的「假性結構」。

直到2004 年,英國曼特斯大學物理學家海姆(Andre Geim)和諾沃肖洛夫(Konsantin Novoselov)在實驗室 中使用十分簡單的工具──透明膠帶和高純度石墨,利用力學剝離的方式把石墨分離成小碎片,並從碎片中剝離出較薄的石墨薄片,然後用膠帶黏住薄片兩側、撕開膠帶,薄片就隨之一分為二,不斷重複這個過程後便得到單層碳原子的石墨烯,進而證實其可單獨穩定存在, 同時該實驗也讓兩位科學家共同獲得2010年諾貝爾獎。

至此,除了揭開石墨烯這項新奇材料的神秘面紗,大眾也開始全心全意地投入在石墨烯的應用研究上。

不過就是一層碳,有差嗎?

為何石墨烯這麼特別?這是因為石墨烯穩定的晶格結構,使石墨烯具有優秀的導電性。而良好的導電性是因為石墨烯的電子在軌道中移動時,不會因為外來原子或是結構缺陷發生散射,又因為原子之間的作用力非常強非常穩定,所以在常溫下,即便受到外在碰撞或是破壞,石墨烯中的電子也不會有太大的變動。

在導熱性質方面,因為石墨烯的碳原子是六角形晶格整齊排列(類似蜜蜂的峰窩), 所以結構非常穩定,確切的導熱係數為5300W∕(m.k), 比銅大10倍,比鋁大25 倍,也高於奈米碳管,是相當不錯的導熱材料。

在機械性質方面,有人可能覺得鑽石很硬,然令人意想不 到的是石墨烯竟比鑽石還硬,硬度甚至比鋼鐵還高100倍, 也可以承受相當大的拉伸強度(高達130 千兆帕)。石墨烯除了特別堅固,質量也非常輕,每平方米只有0.77毫克。

此外,石墨烯還具有良好的韌性,因各個碳原子間的鏈結作用,當施加外部機械力時,碳原子之間結構就會改變,因此不需要重新排列來適應外力,也就保持了結構的穩定,使其能夠在遭受應力後保持其原有尺寸。

然而,這些厲害的機械特性僅為「不含任何缺陷」的石墨烯理論預測,大家目前都希望做出這完美的石墨烯,這也衍生出多種生產石墨烯的方法,在文章的最後,我將會介紹幾個常見合成石墨烯的方法。

塗料中的石墨烯
當石墨烯成為金屬元件的外衣

 
在現今科技中,塗料的應用非常廣泛,其中防腐塗料為扮演非常重要的角色之一。因為在傳統工廠或是科技業中金屬設施的耗損跟腐蝕都會默默地增加生產成本,甚至必須定期檢查維修,這不僅會拖慢生產速率還會增加生產成本,所以大家會在設備外殼塗佈上防腐塗料。不過,具有防腐又能導電導熱的塗料卻不常見,直到石墨烯的出現改變了這一切。

由於科學家發現石墨烯具有良好的導熱、導電、機械強度及片狀結構,故嘗試把石墨烯應用在塗料中,增加塗料各種性能,可以讓金屬設備與外界環境有良好的隔層。也因為這初衷,石墨烯塗料逐漸受大家重視,也紛紛研發「石墨烯導熱散熱塗料」和「石墨烯重防腐塗料」等塗料應用在不同需求的設備上,也確實解決的許多導熱度不夠或是耐腐蝕等難題。……【更多內容請閱讀科學月刊第584期】