石墨烯那么火 你了解它多少？

10月23日是我國國家主席習(xí)近平訪英之行的最后一天。當(dāng)天，習(xí)主席參觀了英國曼徹斯特大學(xué)的國家石墨烯研究所，并指出，在當(dāng)前新一輪產(chǎn)業(yè)升級和科技革命大背景下，新材料產(chǎn)業(yè)必將成為未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)，中英在石墨烯研究領(lǐng)域完全可以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”。

這一表態(tài)引起了外界對石墨烯材料的高度關(guān)注。那么，什么是石墨烯材料?石墨烯材料在航天領(lǐng)域中又有什么用途?

全能材料用處大

石墨烯，這個讓大部分人都感到陌生的名字，卻是全球科學(xué)家都在競相研究的課題。它是由碳六角網(wǎng)狀構(gòu)成的二維平面材料(即單層石墨層片)，其家族還包括石墨烯衍生材料，即以石墨烯為功能體與其他材料復(fù)合或在其他材料輔助下形成的材料。用更通俗的說法就是，這是一塊有望讓“薄得像紙一樣的透明手機(jī)”、“1分鐘充完電的電池”、“像襯衣一樣的防彈衣”等科幻產(chǎn)品變成現(xiàn)實(shí)的“點(diǎn)金石”。

石墨烯看上去是材料界的“新生力軍”，其實(shí)它是飽經(jīng)滄桑的“老者”。說其古老，是因?yàn)槭┮恢弊鳛樘烊皇?尤其是鱗片石墨)的基本單元而廣泛存在于自然界中，已經(jīng)有上萬年的歷史。讓石墨烯煥發(fā)年輕活力的是曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫。2004年，他們將其作為一種材料的概念分離出來，發(fā)現(xiàn)石墨烯是目前唯一的能夠單獨(dú)存在的二維晶體材料，兩人因此還獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。

石墨烯非常薄，被認(rèn)為是世界上最輕的材料，具有極大的強(qiáng)度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等性能：石墨烯的強(qiáng)度高達(dá)130季帕，比最好的鋼材還要強(qiáng)上百倍;彈性很好，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。石墨烯的硬度比莫氏硬度達(dá)10級的金剛石還要高，但卻又有很好的韌性，可以彎曲。此外，石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運(yùn)動速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度。石墨烯的熱導(dǎo)率也非常高，是世界上導(dǎo)熱性能最好的材料。

石墨烯將成為航天的寵兒

石墨烯優(yōu)異的性能決定了其具有廣泛的應(yīng)用價值。石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是代替硅制造超微晶體管，用來生產(chǎn)超級計算機(jī)。據(jù)分析，用石墨烯制備的計算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會提高數(shù)百倍。這種超級計算機(jī)可以為航天飛行器力學(xué)、流體、氣動、材料等計算提供更為高效的技術(shù)手段，提高飛行器設(shè)計、材料研發(fā)的進(jìn)程。

此外，利用石墨烯材料生產(chǎn)具有超高導(dǎo)熱特性的柔性薄膜，這種材料可以用于航天飛行器儀器艙高功率電子器件部位的熱管理系統(tǒng)，用于控制關(guān)鍵電子器件的工作有效性。

將石墨烯材料加入塑料、復(fù)合材料、金屬等材料中，可以大幅提高現(xiàn)有材料的力學(xué)性能、熱物理性能，從而為航天飛行器的輕質(zhì)化或高載荷化提供高性能材料。利用石墨烯和碳納米管形成的新型超輕質(zhì)泡沫材料，作為航天溫控系統(tǒng)熱耗散型相變儲能用高導(dǎo)熱骨架材料也具有一定的應(yīng)用潛力。

另外，石墨烯材料在大容量快速充電鋰離子電池、超級電容器、光電傳感器、柔性觸摸屏、基因測序、超堅韌防彈衣、光調(diào)制器、太陽能光伏發(fā)電、光驅(qū)動等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用開發(fā)，均獲得了可喜的成果，一些研究成果也可以為航天提供直接或間接的應(yīng)用。

前景廣闊但還未成熟

石墨烯材料作為一種“全能”材料所表現(xiàn)出的各種超級性能，為人類探索科技極限從理論走向了現(xiàn)實(shí)。大規(guī)模的石墨烯開發(fā)和應(yīng)用必將極大改變我們的現(xiàn)有認(rèn)知，對電子、能源、材料、航空、航天、機(jī)械等諸領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生深刻影響。

雖然石墨烯材料應(yīng)用前景廣闊，但它的應(yīng)用開發(fā)才剛剛起步，諸多關(guān)鍵問題(如大面積、高質(zhì)量石墨烯制備問題、石墨烯快速高效轉(zhuǎn)移問題等)還有待解決。

總之，石墨烯材料前景廣闊，人類仍然在啟程的路上，石墨烯材料應(yīng)用將引領(lǐng)以航天為代表的諸多技術(shù)擁抱更美好的明天。