Graphen ist eine einzelne Graphitebene, in der Kohlenstoffatome ein hexagonales Gitter bilden. Das zunehmende Interesse an Graphen ist mit seinem enormen Anwendungspotenzial und einer Reihe einzigartiger Eigenschaften verbunden: mechanische, elektronische, optische und andere.
Bisher sind eine Reihe von Methoden zur Gewinnung von Graphen bekannt, von denen fünf Hauptmethoden unterschieden werden können:
1) mikromechanisches Peeling von Graphit;
2) Abblättern von Graphit in der flüssigen Phase;
3) Peeling von Graphit mit chemischen Methoden;
4) Wachstum von Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung;
5) Wachstum von Graphen auf einem SiC-Substrat;
Aber nur die ersten drei Methoden sind die vielversprechendsten, um die Prozesse zur Gewinnung von Graphen zu vergrößern.
Graphen selbst, das über einzigartige Eigenschaften verfügt, ist für bestimmte Branchen von Interesse, insbesondere für die Elektronik und Elektrotechnik. Der am weitesten verbreitete Einsatz graphenähnlicher Materialien, der sogenannten Wenigschicht- und Mehrschichtgraphene, wird in Form von Suspensionen oder Dispersionen in den erforderlichen Dispersionsmedien in Betracht gezogen, um Graphenformationen gleichmäßig in der Matrix zu verteilen. Als Matrix können verschiedene Arten von Kunststoffen, Verbundwerkstoffen, Polymeren, Metallen, Gummi, Baubeton usw. fungieren.
Wie Sie wissen, tendiert jedes System zu einem Minimum an Energie. Um die freie Oberflächenenergie des Systems zu reduzieren, gibt es zwei Möglichkeiten: die Oberflächenspannung oder die Fläche der Grenzfläche zu reduzieren.
Das heißt, gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik laufen alle spontanen Prozesse mit einer Abnahme der Energie des Systems ab. In diesem Fall mit einer Abnahme der freien Oberflächenenergie (Gibbs-Energie).
Basierend auf diesem Gesetz hat eine einzelne Graphenebene aus thermodynamischer Sicht einen äußerst instabilen Zustand, sodass sich Graphen fast augenblicklich in Nanoröhren oder Fullerene umwandelt. Die einzige Möglichkeit, den zweidimensionalen Zustand von Graphen ohne Verwendung von Substraten für diesen Zweck aufrechtzuerhalten, besteht darin, solche Bedingungen zu schaffen, dass die Oberflächenspannung an der Phasengrenzfläche nicht abnehmen kann. Diese Voraussetzungen können nur durch die direkte Gewinnung von Graphen in speziellen flüssigen Dispersionsmedien, den sogenannten Graphendispersionen, geschaffen werden.
Wir haben eine Methode zur Herstellung von Graphendispersionen mit einem hohen Skalierungsgrad und der Möglichkeit entwickelt, Graphendispersionen in nahezu jedem flüssigen Medium zu erhalten.
Die Methode basiert auf der Zerstörung der Van-der-Waals-Kräfte der dispergierten Phase aufgrund von Resonanz, in die das System automatisch eintritt und keine Einführung von Tensiden und den Einsatz von Ultraschall erfordert.
Mit dieser Methode ist es möglich, insbesondere Graphensuspensionen oder -dispersionen mit Materialien wie Polyanilin, Organosiliciumverbindungen und Heteropolysäuren zu modifizieren.
Graphendispersionen sind eine wichtige Materialklasse mit vielversprechenden Eigenschaften und einem breiten Anwendungsspektrum.
Graphendispersionen können mit anderen Materialien integriert werden, um Hybridstrukturen mit einzigartigen Eigenschaften zu schaffen. Beispielsweise ermöglicht die Kombination von Graphendispersionen mit Polymeren, Metallen oder Keramiken die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit verbesserten mechanischen, elektrischen, thermischen und chemischen Eigenschaften. Dies eröffnet Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Leistung und einem breiten Anwendungsspektrum.
Hier ist nur eine kurze Liste dieser Vorteile:
- Verbesserte Streuung und Stabilität:
- Graphendispersionen weisen einen hohen Dispersionsgrad auf, der für eine gleichmäßige Verteilung der Graphenpartikel in der Matrix sorgt und die Stabilität von Lösungen verbessert.
- Einfache Verarbeitung und Integration in verschiedene Materialien:
- Graphendispersionen sind einfach zu verarbeiten und können in verschiedene Materialien wie Polymere, Keramiken, Metalle und Verbundwerkstoffe integriert werden, um deren Eigenschaften zu verbessern.
- Erweitertes Anwendungs- und Funktionalisierungsspektrum:
- Graphendispersionen bieten ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Bereichen, darunter Elektronik, Energie, Katalyse, Sensoren, Materialwissenschaften, Biomedizin und andere.
- Vergrößerte Oberfläche und verbesserte Interaktion mit anderen Materialien:
- Graphendispersionen haben aufgrund ihrer zweidimensionalen Struktur eine große Oberfläche. Dadurch können sie effektiv mit anderen Materialien interagieren und deren Eigenschaften verbessern. Beispielsweise erhöht die Zugabe von Graphendispersionen zu Polymermaterialien deren mechanische Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit.
- Graphendispersionen verbessern auch die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Materialkomponenten, was zu einer verbesserten Bindung und einer erhöhten Effizienz der Elektronen- oder Wärmeübertragung zwischen ihnen führt. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen, die eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit erfordern, wie z. B. Elektronik und thermische Schnittstellen.
- Verbesserte elektrische und mechanische Eigenschaften:
- Graphendispersionen können die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Materialien deutlich verbessern. Aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit kann die Zugabe von Graphendispersionen zu Polymeren oder Verbundwerkstoffen deren elektrische Leitfähigkeit erhöhen, was für verschiedene elektronische Anwendungen wichtig ist.
- Darüber hinaus verbessern Graphendispersionen auch die mechanischen Eigenschaften von Materialien wie Festigkeit, Steifigkeit und Verschleißfestigkeit. Dadurch eignen sie sich zur Verbesserung der Eigenschaften von Strukturmaterialien und Verbundwerkstoffen.
- Möglichkeit zur Feinabstimmung von Eigenschaften:
- Graphendispersionen verfügen über die einzigartige Fähigkeit, ihre Eigenschaften fein abzustimmen. Durch die Funktionalisierung von Graphen ist es möglich, verschiedene chemische Gruppen einzuführen oder zusätzliche Komponenten hinzuzufügen, wodurch die elektrische Leitfähigkeit, Hydrophobie, Haftung und andere Eigenschaften von Materialien gesteuert werden können.
Hohe Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und große Oberfläche machen Graphendispersionen zu einem wertvollen Werkzeug für die Entwicklung innovativer Technologien und die Verbesserung bestehender Prozesse. Sie eröffnen neue Horizonte in den Bereichen Elektronik, Energie, Medizin, Ökologie, Raumfahrtindustrie und anderen Branchen und bieten neue Möglichkeiten für die Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Materialien und Geräte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Graphendispersionen eine innovative und vielversprechende Materialklasse, auch für die Verteidigungsindustrie, mit einzigartigen Eigenschaften und vielfältigen Anwendungen darstellen. Sie verbessern nicht nur die Leistung von Materialien, sondern tragen auch zur Entwicklung neuer Technologien und Durchbrüchen in verschiedenen Bereichen bei. Mit ihrer Hilfe können wir effizientere, nachhaltigere und innovativere Lösungen erreichen und so neue Chancen für den Fortschritt und die Entwicklung unserer Gesellschaft eröffnen.