石墨烯在智能紡織品中如何應用?諾貝爾物理學獎獲得者為您答疑解惑

石墨烯在智能紡織品中如何應用？諾貝爾物理學獎獲得者為您答疑解惑

發表時間：2020/11/8

在第八屆江蘇（盛澤）紡織品博覽會暨第二十一屆中國盛澤絲綢旅遊文化節舉辦之際，10月29日，2020國際先進功能性纖維時尚可持續高峰論壇在「絲綢古鎮、紡織名城、時尚之都」——蘇州市吳江區盛澤鎮拉開帷幕。本次大會以「新活力 · 新動力 · 新潛力」為主題，以「國際性、前瞻性、導向性、時尚性」為基調，邀請行業人士共話功能纖維創新，暢想纖維發展前景。

圖1 Konstantin Novoselov教授發表視頻演講

2010年諾貝爾物理學獎獲得者、英國皇家科學院院士、英國國家石墨烯研究院首席科學家、英國曼徹斯特大學榮譽教授、新加坡國立大學教授Konstantin Novoselov發表了題為《石墨烯在智能紡織品中的應用》的視頻演講（圖 1），基於其多年來對石墨烯的研究成果與經驗，介紹了石墨烯的性能特點、製備方法及其在柔性電子和智能紡織品中的應用實例。

什麼是石墨烯？

聚焦石墨烯的性能特點及製備方法

石墨烯的結構是碳原子緊密堆積而成的單層二維蜂窩狀晶格結構（圖2），雖然結構簡單，但卻擁有諸多優點。它是目前最薄的材料之一，具有良好的導電導熱性、優異的柔性強度……石墨烯集合了上述所有優點於一體。石墨烯的相關性能使其具有前景廣闊的應用領域，例如複合材料、薄膜、柔性電子、能源、生物應用等，其中很多相關應用均已面市。

圖 2  石墨烯的結構

關於石墨烯的製備方法，最初的研究方式是對石墨採取機械剝離法，但這種方式並不具有可持續性，而且從石墨中提取的石墨烯可控性較差。隨後，Konstantin Novoselov教授的研究團隊發明了更多分離石墨烯的新方法，根據預算多少、對成品質量的需求，可以採用不同方法進行大規模生產。例如採用自上而下的液相剝離法（LPE），這種方法和機械剝離有異曲同工之處，通過破壞石墨層與層之間的範德華力來製備石墨烯。另一種方法是化學氣相沉積法（CVD），即利用含碳化合物作為碳源，通過其在基體表面的高溫分解生長出石墨烯；此外還有許多其他的製備方法。這些大規模生產製備方法的研發成功，使石墨烯在電子、複合材料、能源和生物等現代技術領域的應用越來越多樣化。

石墨烯如何應用（一）？

聚焦石墨烯複合材料的應用案例

石墨烯的發展路徑與碳纖維、碳納米管的發展路徑十分相像，首先研究人員將其作為複合材料應用在運動產品中，從而使專業人員發揮出高水準表現，例如輕量化網球拍。2017年，理察米勒（Richard Mille）攜手McLaren打造了一款世界上最輕（32g）、最昂貴的手錶，運用石墨烯材料和極盡鏤空的部件，實現了空前的超輕重量，價值100萬法郎（圖 3）。

圖 3  Richard Mille攜手McLaren打造了世界上最輕、最昂貴的手錶

同時，Konstantin Novoselov研究團隊與英國汽車製造商合作，生產了一款世界上最輕、時速快、造價高的汽車（圖 4），其中採用了石墨烯基複合材料作為車身。選擇採用石墨烯的原因不僅僅因為其材料的高強度，或是其可以減輕車身重量，還因為石墨烯成品的高導熱性能可以加快零件散熱的速率。幾年前，有一半的福特車型引擎蓋下的組件採用了與石墨烯混合的泡沫材料，然而最初的意外決定，使研究人員發現石墨烯材料可以提升汽車引擎的降噪性能。

圖 4  Konstantin Novoselov研究團隊與英國汽車製造商合作生產的汽車

石墨烯如何應用（二）？

聚焦石墨烯在跨界領域的科技應用

石墨烯的熱傳導率高達1000 W/（m · K)，遠超過其他材料的熱傳導率，因此被廣泛應用於熱量管控領域，可用於手機或其他新的應用中，例如華為公司就看中了石墨烯優異的熱量傳導管控性能，並加以應用。

近日，Konstantin Novoselov研究團隊開始研究石墨烯的光電子應用，其中最具前景的應用是光電探測器。它是由石墨烯與量子點電荷傳感器製成的，通過對量子點施加一定光壓，可感應到電荷的存在；加入石墨烯可以快速地與其他組件相集成，並具有高感應度。同時，石墨烯與不同組件相集成的複合材料可以用在自動駕駛領域，具有廣闊應用前景。

近期，矽光子技術越來越多地應用在電訊領域。通過研究發現，12μm的圈環可以大大提升信號傳輸速度，並可製作成不同的器件，其中石墨烯發揮著舉足輕重的作用，其高載流子遷移率可大大提升無線電信號的速度。目前，基於相位調製器的電訊裝置已經面世，並被世界上諸多領先企業投入試驗使用。

此外，石墨烯還可用於生物學中的生物傳感應用領域，通過對表面進行石墨烯改性處理，使其可以感應特定情景；也可以連結基本的石墨烯材料以抵抗病毒（圖5），這點對於疫情肆虐的當下尤為重要。

圖 5  連結石墨烯材料以抵抗病毒

石墨烯如何應用（三）？

聚焦石墨烯在智能紡織品上的應用

Konstantin Novoselov研究團隊加大了石墨烯相關領域的研究力度，並將相關研究成果應用在智能紡織品或個人防護裝備上。

石墨烯可應用於列印RFID標籤以及紡織品上，其具有多種存在形式，如石墨烯粉末、石墨烯懸浮液或石墨烯導電漿料等，用來製作各種各樣的電子配件。應用於可列印的RFID標籤時，通過採用石墨烯導電漿料列印出的H型標籤或UH型標籤均有不俗表現，但很難使用其他二維材料列印出這種類型的標籤（圖6）。

圖 6  可列印的RFID標籤

為什麼選擇石墨烯？

其原因主要有以下幾點：

（1）石墨烯導電漿料可以直接印刷在紙張上，無需其他操作；

（2）技術具有生態環保性；

（3）該材料具有良好的柔韌性；

（4）最重要的是可列印技術具有靈活可變性，減少了傳統鋁蝕刻所造成的浪費；使材料成本和技術成本最小化。基於此，已經有企業開始生產綠色環保的石墨烯RFID標籤（圖7）。不需要使用太多設備，不會產生過多材料浪費，只需要使用很少量的石墨烯導電漿料，再次彰顯了該項技術的價格合理性以及生態友好性。

圖 7 企業生產綠色環保的石墨烯RFID標籤

除此之外，還有許多其他的應用可能性，RFID應用中需要在電子標籤中集成傳感器，如溫度傳感器、溼度傳感器、電傳感器、壓力傳感器、磁感應傳感器等；並且可嘗試使用改性傳感器，集成不同的信號，傳導不同的結果。

例如採用了石墨烯改性紗線製成面料，使其可以感知溫度。石墨烯材料具有穩定性，可用於成衣使用或可穿戴服裝中。Konstantin Novoselov研究團隊做了一項實驗，將吹風機置於石墨烯RFID標籤的上方使其升溫，雖然沒有和電腦相連，僅僅放在電腦旁邊就可以將相關溫度信息傳輸到電腦上（圖 8）；將手指放在標籤上面，可以良好地感知到溫度的升降；說明了石墨烯RFID標籤優良的傳感性能。

圖 8  將吹風機置於石墨烯RFID標籤的上方使其升溫

石墨烯與紡織品還可以如何結合應用？

一般有兩種結合應用方式：

（1）可採用還原氧化石墨烯溶液對纖維進行改性浸塗處理，烘乾後可得到石墨烯改性纖維；對紗線進行石墨烯塗層處理後，獲得的功能性紗線可用於傳感器或是連接傳導。

（2）在面料表面直接塗覆，之後通過軋壓工藝強化塗層，工藝的選擇主要取決於最終的應用領域。這兩個方式均可以用於如智能紡織產品的傳感器、可穿戴電池或RFID標籤上，起到連接作用。

此外，運用石墨烯傳感器還可以感應到壓力變化（圖 9），例如將傳感器放置在衣服的不同位置，當軀幹彎曲時，傳感器輸出的曲線也會隨之發生變化，因此可以輕鬆地根據曲線判斷阻力所發生的變化，依此衡量活動中胳膊或肘部的阻力大小。傳感器可以感知的阻力變化範圍高達10%，這種方式遠比電子器件衡量法更舒適；並且水洗後的傳感器測試結果並沒有太大變化。

圖9  石墨烯傳感器還可以感應到壓力變化

石墨烯有什麼特別之處呢？

石墨烯是零帶隙半金屬材料，這就意味著這些點之間不同尋常的帶隙能賦予它與眾不同的電子性質，石墨烯帶隙所具有的特性可以更好地為大家所用。例如，當測量石墨烯的光學特性時，它具有非常寬的光吸收頻譜，這一特性尤為重要，由於泡利阻塞原理，石墨烯的帶間躍遷被阻止；此時石墨烯的光子帶易於飽和，光子能夠無損耗地通過，即使在非飽和狀態石墨烯也可以改變空間入射光的反射係數以及材料的吸收特性，這一點通常會應用在紡織品生產中。首先在背面塗有導電塗層的織物表面沉積多層石墨烯，在石墨烯層和導電塗層施加電壓後，導電塗層中的電解質電離出的離子經過織物可逆地進入石墨烯層中，使得石墨烯的分子團相互摩擦、碰撞，從而改變織物的反射性能，並由此改變其表面溫度。同時，由於石墨烯的柔軟特性，可以輕鬆地將其彎折。當使用紅外攝像機測量溫度時，不施加電壓時卻測量到了溫度表現；而當施加電壓時，其表觀溫度不是實際的溫度，並且實際溫度不隨表觀溫度的變化而改變。

如何將石墨烯與面料相結合？

由於石墨烯是晶體結構，不能直接拉扯，因此可生產具有彈力的面料，先將面料拉伸開，隨後將石墨烯附在面料表面，石墨烯十分柔軟，可直接按壓；當拉伸面料時，表觀溫度也隨之變化（圖10）。

圖10  石墨烯與面料相結合

因此，相關材質可以用在一些更複雜的應用上，通過改變電極的排布，通以不同大小的電壓，賦予不同的性能，應用於服裝上具有快速改變穿戴者表觀溫度的功能；並且相關變化只能通過紅外設備才能看到不同波長所傳遞的信息，可以將這項新技術應用在保密通信領域，只能在特定環境如紅外攝像頭下才可以讀取相關消息（圖11）。

圖11  應用於服裝上可以快速改變穿戴者表觀溫度

目前，石墨烯材料已經用於紡織品領域之中，相關的需求將出現增長。任何新的應用都需要研究如何對石墨烯進行改性處理，如何使其滿足功能化應用，因此相關的配方和生產工藝需要同步升級。同時，一些其他的二維晶體材料也開始進入市場，如作為傳感器進行使用等。Konstantin Novoselov教授認為前景最好的應用領域為可穿戴電子器件、傳感器、可穿戴電池以及互連線等。

（來源：紡織導報官微）