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石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm ，仅有一层碳原子。但实际上， 10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成。

石墨烯因为其特殊的结构，具有很多突出的性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。
（1）力学性能。石墨烯是目前已知的世界上最薄的材料（0.34nm），也是有史以来被证实的最结实的材料，强度可达130GPa ，约为世界上最好的钢材的100多倍，且杨氏模量达1.054-1.060TPa 。它具有极好的弹性，可被拉伸至自身尺寸的120% ，如果用石墨烯制成包装袋，虽然质量极轻，但它将能承受大约2t的物品。石墨烯的硬度比莫氏硬度10级的金刚石还要高，却具有很好的韧性（可弯曲性），迄今很少有材料能够同时具备这两种性质。
（2）电磁性能。电子在石墨烯中传输的阻力很小，在亚微米距离移动时没有散射，具有很好的电子传输性质，其中电子的运动速度达到了光速的1/300 ，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。最新的研究表明，石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率（15000cm2·V-1·s-1），也是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2 倍，因此有预言称，石墨烯将成为硅的替代品，从而改变人类的生活。除此之外，石墨烯还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。
（3）热学性能。石墨烯具有极强的导热性能，单层石墨烯的热导率可达5000 W/m·K ，是室温下纯金刚石的3倍，金属铜的12倍。
（4）石墨烯还具有优良的透光性能，光子透过率高97.4% ，其理论比表面积高达2630 m2·g-1 。
石墨烯的快速导热特性与快速散热特性，使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料，广泛用于智能手机、平板电脑、大功率节能LED照明、超薄LCD电视等散热。除高导热性之外，石墨烯还有其他优异的理化特性，因此下游应用广泛。例如，导电性高，可应用在集成电路、导电剂、传感器和锂电等领域；比功率高，可作为超级电容和储能元件；柔性强，弯折不影响性能，可作为柔性材料用于曲面屏和可穿戴设备；具有高透光率，可用于透明导电薄膜。
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石墨烯产品形态包括薄膜和粉体两类，石墨烯粉体的应用领域包括：（1）锂电池正负极材料的导电添加剂，可以提高充放电速度和循环性能；（2）超级电容的电极材料，储能活性强且循环性能优良；（3）特征涂料，作为添加剂掺杂在防腐涂料、散热涂层和导电涂层中改善涂料性能；（4）高效催化剂，应用于能源化工领域。石墨烯薄膜的应用领域包括：（1）导热膜，用于智能手机和平板电脑等的散热层；（2）柔性显示，用于柔性显示屏和可穿戴设备等领域；（3）传感器材料，用于可穿戴设备、医疗和环境监测等领域；（4）集成电路基础材料，用于超级计算机、高频芯片和精密电子元件等领域。