碳，是不是很神奇？

看看它的发展史有没有觉得它离我们真的很近，

低调的服务于生活的方方面面。

从最贴近我们的生活领域，

到科技前沿的航空航天、核工业；

从人类的生存中作为热能来源的木炭，

到表达爱意浓浓的炫亮钻石；

从开启人类文明用来书写的墨汁；

到远征宇宙的碳纳米管“天梯”。

这都是“碳”性能展现的不同状态，

这些多元化的性能，

也使得科学家为之着迷，

对“碳”的研究也成为了他们永不放弃的课题。

【碳材料发展史】

生活用炭

Carbon in Life

主要以木炭、煤炭、墨的形式

被用作

取暖、烹饪和文字记录等。

　应用

针对从17世纪到18世纪木炭资源缺乏的实际情况，提出了新炭材料资源即利用煤的要求，有数代先驱者开始了煤炭炼铁的实验。

焦炭的生产在18世纪末取得较大进步，蜂巢式焦炉替代了以前生产木炭式的窑，焦炭的质量取得了决定性的改善。

最初焦炭的使用仅限于生产生铁，1783年H.Cort和P.Onions独立地研究用焦炭把生铁炼成钢，而发明了搅拌（Paddling）型炉并应用。这是一种将反射炉中熔融的铁水用铁棒不断搅拌，让碳及其它杂质燃烧逸出，把生铁完全变成柔韧钢锭的方法。

H.Cort把小块煅钢放在带槽的压延机加工，得到了典型的具有纤维状组织、耐腐蚀的优质锻造钢。这项发明使Cort成为近代压延机之父。此外，这种方法提供的钢是液态的，把钢水倒入铸模就可以成为铸钢。这就给铁冶金工业所有的工序带来影响。

针对从17世纪到18世纪木炭资源缺乏的实际情况，提出了新炭材料资源即利用煤的要求，有数代先驱者开始了煤炭炼铁的实验。

　产品分类　

气化焦

是专用于生产煤气的焦碳。主要用于固态排渣焦碳的固定床煤气发生炉内，作为气化原料，生产以CO和H2为可燃成分的煤气。

电石焦

电石用焦是在生产电石的电弧炉中作导电体和发热体用的焦碳。电石用焦加入电弧炉中，在电弧热和电阻热的高温（1800-2200℃）作用下，和石灰发生复杂的反应，生成熔融状态的炭化钙（电石）。

铁合金焦

铁合金焦是用于矿热炉冶炼铁合金的焦碳。铁合金焦在矿热炉中作为固态还原剂参与还原反应，反应主要在炉子中下部的高温区进行。以冶炼归铁合金为例，其反应式为SiO2（液） 2C（固）=Si（液） 2CO（气），随着反应的进行，焦碳中的固定碳不断消耗，主要以CO形式从炉顶逸出。焦碳灰粉中的三氧化二铝（Al2O3）、氧化铁（Fe2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)和五氧化二磷(P2O5)等，部分或大部分被还原出来，进入合金中；未参加反应的部分进入炉渣。焦碳中的硫和硅生成硫化硅和二硫化硅后挥发掉。冶炼不同品种的铁合金，对焦碳质量的要求不一，生产硅铁合金时对焦碳质量要求最高，所以能满足硅铁合金生产的铁合金焦，一般也能满足其他铁合金生产的要求。

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石墨电极

石墨电极，主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。

　碳刷的功能　

碳刷也被称作电刷，形状如下：

（碳刷功能的概念图）

其组装方式是将碳刷装入刷握（碳刷架）中，用弹簧压住，使碳刷与旋转的换向器保持接触。

在碳刷的刷体上装有铜制导线。用于电机时，电流经导线通过碳刷导入与其相摩擦接触的换向器表面。用于发电机，与此相反，电流从换向器流向碳刷。

要使碳刷与换向器保持稳定的摩擦接触，就需要在铜制的换向器接触面上生成稳定的氧化铜皮膜。为此，就有必要寻求碳刷材质、弹簧压力及电流密度等方面的最适合的条件。同时，电机的运转环境（温度、湿度、气氛、尘埃）以及碳刷通过换向器片时因换向作用而产生的火花的大小对氧化皮膜的产生状况也有很大的影响。

碳刷的材料

因为碳刷起着与转子（集电环）之间电流的传导作用，需要有良好的摩擦性能和导电性能。早期，碳刷的材质以石墨质为主，现在开发出了天然石墨质、人造石墨质、金属石墨质及树脂石墨质（石墨、金属和树脂的结合材质）等各种各样的材质。可以根据用途选定适合的材质。人造石墨质的碳刷主要适合于对换向性能要求高的用途；而金属石墨质的碳刷则适合于电流容量大的用途。

　产品分类　

金属石墨碳刷

该类碳刷的主要材料是电解铜和石墨。根据使用需要有时也采用银粉（精密仪器上用的，非常贵）、铝粉、铅粉等其他金属，这些碳刷里面又有含黏结剂和不含黏结剂之分。这类碳刷既有石墨的摩擦特性又有金属的高导电性，因此，适用于高负荷和换向要求不高的低电压电机（如汽车启动马达等）。其圆周速度不超过30米/秒。

碳刷

天然石墨是该类碳刷的主要原材料黏结剂采用沥青或树脂，经过烘焙或1000度烧结而成。这类电机有良好的润滑性能和集流性能。多数用于运行平稳的中小型直流电机和高速汽轮发电机集电环；电气石墨主要成分是碳黑、焦碳和石墨等各种碳素粉末材料组成，这类碳刷具有优异的换向性和自润滑性能，广泛用于各类交直流电机不但寿命长，而且对换向器的磨损小。

　应用　

在东洋炭素集团，我们提供完整系列的碳刷，包括用于一般工业用途、吸尘器、汽车、家电、电动工具、电力供应、微电机等的碳刷。

汽车上有很多电机，不同的电机需要使用与其性能相适应的碳刷。特别是近年来，基于便利性和舒适性的考虑，汽车上辅助类的电机越来越多，1台高级轿车所需要的碳刷甚至超过了100只。由于汽车电机的电源是由电池供给的12～24V低电压，为了尽量减少电损，通常使用电阻率较低的含铜的金属石墨质碳刷。

一般工业

直流电机

电力机车

微电机等

打印机

在其使用寿命结束时，当弹簧压力降低，碳刷由于换流有产生更大火花的倾向。带切断装置的碳刷磨损时，迅速切断电流，以减少换向器损失。东洋炭素根据碳刷类型和应用提供切断设计。

特殊涂层碳刷

等静压石墨

　　等静压石墨是上世纪40年代发展起来的一种新型石墨材料，具有一系列优异的性能。等静压石墨的耐热性好，在惰性气氛下，随着温度的升高，其机械强度反而升高，在2500℃左右时达到最高值；与普通石墨相比，结构精细致密，而且均匀性好；热膨胀系数很低，具有优异的抗热振性能；各向同性、耐化学腐蚀性强、导热性能和导电性能良好；具有优异的机械加工性能。正是由于具有这一系列的优异性能，等静压石墨不仅在民用上大有作为，在国防尖端上占有重要地位，属新型材料，令人瞩目。它是制造单晶炉、金属连铸石墨结晶器、电火花加工用石墨电极等不可替代的材料，更是制造火箭喷嘴、石墨反应堆的减速材料和反射材料的绝好材料。

热解碳按其特性可以分为高密度的致密热解碳与低密度的疏松热解碳和各向同性与各向异性热解碳。其性能和结构取决于热解温度。800-1000℃以下热解的是热解碳,在 1400-2000 ℃ 热解或更高温度下处理的叫热解石墨。热解碳的性质结构取决于其制造条件，其中以沉积温度为重。

从其反应机理上说,制备热解碳要经历两个阶段:

1 发生炭化过程, 生成焦碳和分离的挥发产物。

2 生成的产物降解成热解碳、水、气体。

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碳纤维

碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

　应用

碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。从航天、航空、汽车、 电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。碳纤维增强的复合材料可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。球棒等体育领域。碳纤维是典型的高科技领域中的新型工业材料。

复合材料

由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点，已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料。

土木建筑

碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强，在铁路建筑中，大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用，这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。另外， 碳纤维做补强混凝土结构时， 不需要增加螺栓和铆钉固定，对原混凝土结构扰动较小， 施工工艺简便。

　产品分类 　

压力容器

压力容器采用碳纤维复合材料制作，主要用在汽车的压缩天然气罐上，而且还用在救火队员的固定式呼吸器上。CNG罐源于美国和欧洲国家，日本和其他的亚洲国家也对这项应用表现出了极大的兴趣。

风力发电机叶片

世界上风力发电机组的发电机额定功率越来越大，与其相适应的风机叶片尺寸也越来越大。为了减少叶片的变形，在主乘力件如轴承和叶片的某些部位采用碳纤维来补充其刚度。中国‘十五’期间的风机装机总容量已达到1。5G瓦，因而碳纤维在风力发电机叶片上的应用前景看好。

碳纤维在风能、核能和太阳能等新能源领域也具有广阔的应用前景。当风力发电机功率超过3MW，叶片长度超过40米时，传统玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，采用碳纤维复合材料制造叶片是必要的选择。只有碳纤维才能既减轻叶片的重量，又能满足强度和刚度的要求。

碳纤维布

碳纤维布又称碳素纤维布，碳纤布，碳布，碳纤维织物，碳纤维带，碳纤维片材（预浸布）等 。碳纤维布是一种单向碳纤维产品，通常采用12K碳纤维丝织造。重量最轻的是1K碳布，中国碳纤维车架单车、三角架基本使用3K碳布。1K碳纤维管材由于从碳丝的等级，树脂的成分，碳布的密度，成型的压力温度等等工艺都非常严格，1K碳布价格是3K碳布的3倍。可提供两种厚度：0.111mm（200g）和0.167mm（300g）。碳纤维布强度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固构件自重及截面尺寸。碳纤维广泛适用于建筑物桥梁隧道等各种结构类型、结构形状的加固修复和抗震加固及节点的结构加固。

碳纤维复合材料抽油杆

有关数据表明，至2008年有8%到10%更新或新增的抽油杆用碳纤维复合材料抽油杆取代，共需碳纤维320到420t。预测至2010年如果按15%的取代量计算，则碳纤维消耗量可达624吨。

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膨胀石墨

作为一种新型功能性碳素材料，膨胀石墨(Expanded Graphite，简称EG)是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。EG 除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外，还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。

　应用 　

环保领域

膨胀石墨有疏水性和亲油性,可以在水中有选择性地除去非水性的溶液,如从海上、河流、湖泊中除去浮油。

密封材料

膨胀石墨可后处理成柔性石墨作为密封材料使用。

生物医学

膨胀石墨有良好的生物相容性、无毒、无味、无副作用等特点,是一类非常重要的生物医学材料。

高能电池材料

在可充锌锰电池的锌阳极中添加膨胀石墨可以减小锌阳极充电时的极化,增强电极及电解液导电性,抑制枝晶形成,并能提供良好的成型特性,抑制阳极溶解和变形,延长电池寿命。

相变储热材料

相变储热材料的导热性能不好,换热性能差,影响其储能和释能效率。同时复合相变材料中多孔介质的孔隙率较小,内含相变材料少,导致其储能量低,这些缺点都限制了该材料的应用和发展。膨胀石墨丰富的孔隙结构、高导热性能，可以很好的弥补这些缺陷。

防火安全材料

国外已于机舱座椅的夹层中添加部分可膨胀石墨,或将其制成防火密封条、防火堵料、阻火圈等,一旦起火迅速膨胀,堵塞火灾蔓延通道,达到灭火目的。此外,将可膨胀石墨的细颗粒加入到普通涂料中,可制得效果较好的阻燃防静电涂料。

蔡晓霞等对聚磷酸铵(APP)和膨胀石墨(EG)协同阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)及其阻燃机理进行了研究。结果表明,APP和EG对EVA具有良好的协同阻燃效果。

　产品分类

柔性石墨密封材料按其用途，主要分为两大类：一类用于各种泵、阀门、反应釜上的密封填料；另一类是用于各种管道法兰上的石墨垫片。

密封填料

密封填料是将切成适当宽度和长度的膨胀石墨带缠绕在不同规格的金属模中，在压力机上直接成型的预成填料，适用于各种截止阀、闸阀、调节阀、球阀、加阀等。

密封垫片

通常可分为两种，一种是纯石墨垫片，它是用膨胀石墨粒料直接在金属模中压制成型，也可用膨胀石墨板材直接冲裁或切割而成；另一种是石墨缠绕垫，是以金属带和膨胀石墨重叠卷成，可以在较高压力下使用。

石墨盘根

石墨盘根是用棉纤维或石墨纤维同石墨卷箔编织而成的密封材料。以棉纤维为芯的石墨盘根（SPM型）适用于压力12MPa、温度200℃以下的管道、阀门、机泵等的密封，接触介质可为河水、自来水、地下水、海水、油类等。以石墨纤维为芯的石墨盘根（SPS型）适用于压力12MPa、温度350℃以下的管道、阀门、机泵等的密封，接触介质除了各种水、油类外，还可以接触酸碱物质。

【碳材料发展史】

未来用炭

Carbon in Future

主要以

富勒烯、炭纳米管、石墨烯的形式

被用在

通讯、太空探索、生物医药等领域。

富勒烯

　　富勒烯（Fullerene) 是单质碳被发现的第三种同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一类物质。富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。1985年Robert Curl等人制备出了C60 。1989年，德国科学家Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构，从此物理学家所发现的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。富勒烯的结构和建筑师Fuller的代表作相似，所以称为富勒烯。

　应用 　

工业

富勒烯是一种新发现的工业材质， 它的特性： 1.硬度比钻石还硬2.轫度(延展性)比钢强100倍 3.它能导电，导电性比铜强，重量只有铜的六分之一4.它的成分是碳，所以可从废弃物中提炼。

可想像我们的未来生活中将有“无金属电线”“富勒烯(非金属)钢筋的建筑物”“富勒烯防弹背心”“富勒烯汽车壳”……

构想中的“东京湾金字塔城”亦将富勒烯列为主要建材，纳米巴克管(富勒烯)分子可无限延伸(巴克管长度越长，其原子数越多，所以巴克管的原子数不一定是C60)，且巴克管分子是碳原子自动组合而成。

电、光、磁

C60本身的对称性决定了C60自身有非线性光学性质。作为一种新的化合物，研究其电、磁、光等应用是非常重要的，实际上C60就是因为掺杂碱金属在一定条件下具有超导电性，其电荷转移复合物有铁磁性而引起人们极大兴趣和关注。

物理性质的应用

润滑剂和研磨剂C60具有特殊的圆球形状，是所有分子中最圆的分子；另外， C60的结构使其具有特殊的稳定性。在分子水平上，单个C60分子是异常坚硬的，这使得C60可能成为高级润滑剂的核心材料。

•CVD金刚石膜

富勒烯的另一潜在的应用是它们可作为金刚石薄膜生长的均匀成核位置而起重要作用。

金刚石薄膜在军事方面具有许多应用价值，如作为装甲车表面的抗冲击覆盖层，用于制成光学（X射线，粒子束）窗口，半导体晶片，高硬度表面齿轮，金刚石-纤维合成材料，以及高温和防辐射电子器件等。

•高强度碳纤维

1991年日本电气公司的饭岛发现了一种管状碳——巴基管，巴基管具有独特的几何结构和奇妙的导电性质，同时具有高抗张强度和高度热稳定性。巴基管的这种特殊的电学和机械性能使其具有巨大的应用价值。

•高能轰击粒子

C60能够得到或失去电子形成离子，带电巴基球可以用作物理碰撞的高能轰击粒子。

在电化学方面的的应用

•光导体

光导材料是复印机、传真机和激光打印机的基本部分，旧的光导材料使用硒作为感光剂，较为先进的有机光导聚合物已经代替了硒材料。美国杜邦公司的研究人员发现用1%的C60（可能是C60和C70的混合物）掺杂的PVK聚合物是一类全新的高性能光导体，类似的产品已经应用于静电复印技术中。

•超导材料

掺杂C60超导体的发现是超导领域的又一重大成果，这种超导体具有相对较高的临界温度，掺杂C60超导体的临界温度不仅远远高于所有的有机分子超导体，而且也大大高于以前发现的金属和合金超导体，只比炙手可热的氧化物陶瓷超导体低。

•非线性光学器件

实验和理论研究表明，C60和C70等富勒烯都是良好的非线性光学材料， C60 /C70混合物（ C70约占10%）的非线性光学系数约为1.1×10-9esu， C76甚至还具有光偏振性。

C60薄膜具有很高的光学效率，这一性质使得 C60在激光光学通信和光学计算机方面有着重要的潜在应用，并有望在短期内付诸实现。

护肤品

由于富勒烯能够亲和自由基，具有极强的抗氧化能力，能够起到活化皮肤细胞，预防肌肤衰亡的作用。关于富勒烯在清除自由基方面的功效目前已有近3万篇论文被发表，近3千个专利获得了认可。正因如此，21世纪以来富勒烯开始被用作化妆品原料，具有抗皱、美白、预防衰老的卓越价值，成为备受瞩目的尖端美容成分。

多元体研究

富勒烯衍生物与卟啉、二茂铁等富电子基团共价或非共价形成多元体，用于研究分子内能量、电荷转移、光致能量和电荷转移。

有机太阳能电池

自1995年俞刚博士将富勒烯的衍生物PCBM（[6,6]-phenyl-c61-butyricacid methyl ester，简称PC61BM或PCBM）用于本体异质结有机太阳能电池以来，有机太阳能电池得到了长足的发展，其中有三家公司已经将掺杂PCBM的有机太阳能电池商用，迄今大部分有机太阳能电池以富勒烯做为电子受体材料。

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碳纳米管

1991年日本NEC公司实验室的专家饭岛（Iijima）发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子即碳纳米管。碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。

　分类　　

碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs），多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。

　应用前景　　

炭纳米管可实现存储器微型化

碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。

在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。

利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。

碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，利用这一点，1999年，巴西和美国科学家发明了精度在10-17kg精度的“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。

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石墨烯

石墨烯（Graphene）是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。于2004年问世，其发现者英国曼彻斯特大学安德烈-海姆教授于2010年获得诺贝尔物理学奖。

　 分类

单层石墨烯（Graphene）

指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

双层石墨烯（Bilayeror double-layer graphene）

指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

少层石墨烯（Few-layer）

指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

多层或厚层石墨烯（multi-layer graphene）

指厚度在10层以上10nm以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

　 主要应用

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。

新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。表面附有石墨烯纳米图层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题。

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。

参考：东洋碳素

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