石墨烯对航空的研究论文

在往届冬奥会中，曾出现过现场寒冷导致大量观众提前退场、媒体记者和志愿者手脚冻僵难以正常工作的情况。本届北京冬奥会运动场馆的温度最低可达零下30多摄氏度，而高科技材料石墨烯有效帮助了工作人员和5G转播设备等抵御低温挑战。在通电的情况下，石墨烯产生的热能以平面方式均匀地辐射出来，可以很好地被人体接受，产生由内而外的温暖。石墨烯的发现者之一、2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆(Andre Geim)这样描述石墨烯：“石墨烯对很多人来说就像爱丽丝仙境一样，非常神奇。”石墨烯，神奇在哪？文丨崔赫翾 瞭望智库观察员本文由瞭望智库综编。1撕出来的石墨烯石墨烯是目前发现的最薄、最坚硬，导热、导电性能最好的一种新型纳米材料，它的热传导能力是金刚石的两倍以上，机械强度比钢铁强200倍，导电性比银和铜还强，被称为“黑金”以及“新材料之王”。作为碳材料家族的新成员，石墨烯与石墨、金刚石一样，都是碳的同素异形体。石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构，1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹可能就是数不清多少层的石墨烯。2022年2月17日，北京石墨烯技术研究院展厅内展示的石墨烯原料。图｜视觉中国1987年，法国《矿物化学》杂志的一篇论文中首先出现“graphene”（石墨烯的英文名称）一词，用于描述单层的石墨片层。不过，这个概念在提出后并没有引起多少人关注石墨烯本身，而是多用于描述日本科学家饭岛澄男发现的碳纳米管。在当时，石墨烯之所以没能获得足够的关注，是因为早在70多年前，理论研究就表明，完美的二维结构晶体无法在非绝对零度的环境中稳定存在。有理论认为，物质的熔点会随着其尺寸的减小而减小，当物质的尺寸达到原子级别时会变得很不稳定，倾向于分离成岛状结构或分解。石墨烯作为一种原子厚度级的二维晶体材料，显然违背了这个理论，许多科学家就止步了。不过，几十年来还有一些科学家在积极实验，寻求突破：1979年，科学家在真空条件下加热掺有碳的单晶镍时，在不同的温度下分别检测到了薄层墨片和较厚的石墨片的生成；1988年，科学家在利用蒙脱土片层间的二维罅隙制备高定向石墨的过程中，观察到了石墨烯的存在，但是当时所制备的石墨烯只能依附于模板而存在。直到2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用一种非常简单的实验方法突破了科学家们的理论认知。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。就这样不断操作，薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。其实，实验室里用胶带粘石墨是常规操作。因为石墨是片状结构，需要用仪器观察石墨时，研究员往往会用胶带去除石墨表层，从而露出一个干净的表面。盖姆从这样的日常操作中，通过想象力完成了一个不可能的任务。2004年10月，他的研究小组在《科学》杂志上发表了这一研究成果，震撼了科学界。6年后，两位发现者就共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。在科学家眼中，石墨烯超乎寻常的性能让几乎所有已知材料都难以望其项背。在力学性能力方面，石墨烯的抗拉伸强度值超过常规钢铁材料100倍；在传输电子能力方面，常温下石墨烯的电子迁移率超过本征半导体硅10倍；【注：本征半导体（intrinsic semiconductor）是指完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体，一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。】在热传导能方面，石墨烯的热传导率值超出热的良导体金属铜10倍；在光学透过性方面，单层石墨烯对太阳光的吸收率仅为，几乎是完全透明的。单原子层的特殊结构赋予了石墨烯极大的比表面积，单层石墨烯的理论比表面积可达2600平方米/克。盖姆说：“它是有史以来强度最大的物质，是我们所知道的最坚固的材料，它还是拉伸强度最好的晶体。当然，它的超强性能还不止这些，但这已经让人相当吃惊了。”2概念应用大放异彩2020年4月23日，中国科学院山西煤炭化学研究所内，研究人员研制石墨烯新能源材料。图｜视觉中国近些年来，航空航天产业对复合材料的性能提出了更高的要求，而具有高强度、高导热、抗电磁干扰等性能的石墨烯应用前景广阔，可应用于大型微波暗室用吸波材料、飞行器与武器平台隐身、轻质复合材料、抗雷达干扰线缆、航空航天热管理系统、飞机轮胎、雷达电磁屏蔽等领域。在光伏产业中，石墨烯可以凭借其提高玻璃透光率与玻璃自清洁能力，达到进一步提升组件功率、提升组件发电能力的目的。就自清洁能力而言，常见的组件技术往往只具备超亲水或者光触媒效果，而将这两种技术完美融合在一起的只有石墨烯技术。在军工领域，添加了石墨烯的复合材料可以很大程度增强耐撞击性，可以应用在空投箱、子弹箱、装甲车辆上，替代钢铁部件；可以用于制造防弹头盔、防弹背心；还可以应用到登陆舰艇，从而满足轻量化、抗撞击、防弹的特殊要求。凭借电磁屏蔽性质，石墨烯也可以用来做隐形飞机、隐身材料……在生物医药领域，石墨烯的应用主要集中在生物传感器、药物载体、光线疗法及生物成像等方面。举个例子，人体能发射远红外光，而石墨烯具有超高的载流子迁移率，远红外光投射到它上面后产生的电子可以被迅速地采集。这样，戴上用石墨烯镜片制成的眼镜，就可以在夜里看清一切东西。此外，还可以采集使用者本身的血糖、脑电等生理数据。在电子信息领域，石墨烯潜在的应用主要集中在柔性显示和触摸屏、传感器、RFID、散热材料等领域。传统透明导电膜大都采用ITO材料，ITO含带毒性的稀有元素铟，而且价格昂贵，缺乏柔韧性。因此，不少厂商已在开发新型的透明导电膜。目前ITO的替代材料有金属网格、碳纳米管、纳米银线等，但它们均有不同程度的缺陷，这给石墨烯提供了足够的替代空间。盖姆在获得诺贝尔奖之后曾到访三星公司，当看到三星公司编制的石墨烯产品路线图的50个特殊性能应用的时候，他认为最接近合理市场价值的应用之一是其柔韧性极好的触摸屏。在环保领域，盖姆研究发现氧化石墨烯薄膜可屏蔽除水之外所有其他分子，由此发现石墨烯有望用于制备过滤器材料，从而在海水净化、污水处理等方面实现应用。不仅如此，科学家对石墨烯最终取代硅成为计算机芯片的基础材料，也持乐观态度。对于普通人的日常生活来说，盖姆曾经用塑料来类比过石墨烯，他认为石墨烯可以开发出种类繁多的材料，就好像塑料一样，未来可以应用到生活中的各个角落。科研人员也发现石墨烯可用做绷带、食品包装甚至抗菌T恤。还有一些科学家有着更远大的理想，他们将制造万英里长的太空电梯的梦想，也寄托在石墨烯上。3石墨烯产业“三大件”据统计，我国石墨矿储量占到世界总储量的75％，具备发展石墨烯产业的资源基础。2004年至2013年，我国石墨烯处于实验室研究阶段，研究的产品包括晶体管、调制器、导电管等。2021年6月19日，一条石墨烯生产线搬入哈尔滨新区。图｜视觉中国2013年起，石墨烯商品开始出现。由于制备技术还不成熟，只有一些对石墨烯质量要求不高的产品实现商品化，如锂电池、石墨烯散热薄膜等，但这些产品下游需求不大，主要替代一些传统材料。在此期间，2012年工信部发布《新材料产业“十二五”发展规划》，规划中的前沿新材料就包括石墨烯。此后，我国又进一步明晰了石墨烯未来十年发展目标——电动汽车锂电池用石墨烯基电极材料：较现有材料充电时间缩短50%以上，续航里程提高1倍以上； 海洋工程等用石墨烯基防腐蚀涂料：较传统防腐蚀涂料寿命提高1倍以上。 柔性电子用石墨烯膜：性价比超过ITO，且具有优异柔性，可广泛应用于柔性电子领域； 光电领域用石墨烯基高性能热界面材料：石墨烯基散热材料较现有产品性能提高2倍以上。 整体突破石墨烯的规模制备技术：石墨烯粉体的分散技术，石墨烯基电极材料的复合技术。2016年，科技部印发《“十三五”材料领域科技创新专项规划》，提出要发展单层薄层石墨烯粉体，高品质大面积石墨烯薄膜工业制备技术，柔性电子器件大面积制备技术，石墨烯粉体高效分散、复合与应用技术，高催化活性纳米碳基材料与应用技术。从这一年起，我国石墨烯企业数量快速增长，仅当年全国新增注册石墨烯相关企业数量就达704家，同比增长113%，其中多以研发为主，有实质性业务收入的企业数量仅为125家。截至2020年6月底，我国在工商部门注册的、营业范围包括石墨烯相关业务的企业已经达到了16800家。全国成立石墨烯产业园29个，石墨烯研究院54家，石墨烯产业创新中心8个，石墨烯联盟12个，分布在21个省市。“国外更多关注真正体现石墨烯新材料特性的未来型技术研发，而中国则非常重视近期的实用性产品的开发。” 中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范说。刘忠范还介绍，目前，中国石墨烯产业有“三大件”，约占总体产业的90％：一是新能源，将石墨烯用作锂离子电池的导电添加剂，使电池充电速度更快，电容量也有提升；二是添加进防腐涂料，节省防腐涂料中较贵的锌的含量，同时提升防腐性能；三是大健康领域，比如利用其导热性能制作眼罩、护膝等理疗产品。4防止炒作过热石墨烯一经发现就在世界各国备受追捧，在资本市场更是追逐的焦点，这也导致了五花八门的石墨烯概念和应用被炒作过热。比如，上周科学家刚刚发表一篇关于石墨烯离子筛性能的文章，本周资本市场就会联想到海水淡化的市值，相关股票随即暴涨。很多企业号称的石墨烯新品，只是往产品里面加入了少量石墨烯，提高了相关性能，石墨烯扮演的多是添加剂的角色，新品也很难能被认为是真正的石墨烯产品。2018年的《先进材料》上曾发表一篇文章，作者之一是石墨烯诺贝尔奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫。这篇文章中，研究者们分析了来自美洲、亚洲和欧洲60家公司的粉体石墨烯样品，发现大多数公司的样品中石墨烯含量低于10％，而且没有一家样品中石墨烯的含量超过50％。此外，石墨烯的极强导电性、强度、透光性和导热性等特性，只是单原子厚度石墨烯的微观性能，而当下伪石墨烯概念炒作，将石墨烯的微观性能夸大为宏观性能。比如，石墨烯的厚度只有纳米，即使是1毫米厚的钢板，也是石墨烯厚度的200多万倍。即使石墨烯强度较高，也要几千层石墨烯叠加在一起才能承受1毫米钢板所能承受的力量。严格意义上讲，只有单层石墨片才是真正的石墨烯，但从应用的角度讲，大家的共识是，10层以下可称为石墨烯。石墨烯一旦叠加大约超过10层，就会丧失大多数独有特性，重新变成石墨，更不要提几千层。中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准委员会主任戴石峰曾指出，一些企业把石墨烯神化，将其宣传为万能材料，个别企业甚至将石墨当石墨烯来售卖，这对产业的发展极为不利。学术界对石墨烯的共识是，目前石墨烯材料的成本过高且技术方面不完善，若要大规模实现工业化应用尚存在一定的困难。在现在常见的制备方法中，氧化石墨还原法是最常用的方法，但这种方法常常会带来大量的废酸、废水。比如用浓硫酸加上高锰酸钾去煮石墨，生产1公斤石墨烯需要耗费50公斤浓硫酸、3公斤高锰酸钾和1吨水。而化学气相沉积法（CVD），是将乙烯或乙炔等气体导入到一个反应腔内，让这些气体在高温下分解，经过冷却后，碳原子就沉积在基底表面形成石墨烯。虽然CVD能满足规模化制备大面积、高质量的石墨烯要求，但成本较高、工艺复杂。而由于制备成本一直居高不下，石墨烯价格一度高达5000元/克，比黄金还贵十几倍，这也阻碍了石墨烯下游市场的产业化步伐。石墨烯未来会如何？中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春认为，“业界虽然有争议，但科技创新，什么事情都可能发生，我们要有开放的心态。”参考资料：1.石墨烯：神奇材料看这里！丨经济日报，2020-10-212.新材料之王“石墨烯”究竟是什么？丨杨杰，中国科学院物理研究所3.专访｜诺奖得主盖姆谈三维世界中的二维石墨烯：材料革命来了丨澎湃新闻，2022-2-194.神奇材料石墨烯——2010 年度诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆访谈录丨世界科学，2010-125.石墨烯利好政策频现，理性发展未来可期丨新材料产业，2017-106.石墨烯的这十年丨百科知识，2014-127.石墨烯发展年度报告：我国石墨烯产业仍处在概念导入期丨新华社，2017-07-06库叔福利库叔的赠书活动一直都在！中信出版集团为库叔提供15本《宇宙小史》赠予热心读者。我们的目光永远望向太空，我们的征途是星辰大海。本书用通俗的语言，通过大量类比，准确地解释了人类是如何通过天文观测和物理推论认识到宇宙中的各种物质组成及其演化过程的。请大家在文章下评论，点赞最高的前3名（数量超过50）将得到赠书。