“神奇材料”石墨烯

    鋰電池里添加一種神秘的復合導電粉末，有望實現(xiàn)手機“秒充”。

    它如此之薄，1克展開面積2630平方米！這種類似科幻名著《三體》中“二向箔”的神奇材料揭開面紗，從實驗室走進現(xiàn)實生活。它，就是石墨烯。

    目前，石墨烯產(chǎn)業(yè)已被納入國家戰(zhàn)略布局。《中國制造2025》首個重點領域技術路線圖把它列為前沿新材料之一。中國“十三五”規(guī)劃建議明確提出將加快突破新材料等領域核心技術。工信部等部委也聯(lián)合發(fā)文，提出要將石墨烯產(chǎn)業(yè)打造成先導產(chǎn)業(yè)。

    這一“橫空出世”的新材料到底神奇在哪里？能給我們的生活帶來怎樣的變化？何時才能迎來屬于它的大時代？

    
    石墨烯，實際就是從石墨中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。鉛筆芯用的石墨就相當于無數(shù)層石墨烯疊在一起。

    聽起來稀松平常的石墨烯，卻有諸多獨一無二的特性。通俗來說，目前自然界中，這東西最薄、最結(jié)實，導電性極好，在工業(yè)領域中幾乎無所不能。

    石墨烯有多薄？厚度僅為普通紙張的十萬分之一。

    石墨烯的發(fā)現(xiàn)者、2010年諾貝爾物理學獎獲得者安德烈·海姆這樣描述石墨烯：可以被無限拉伸，彎曲到很大角度不斷裂，可以抵抗很高的壓力，同時還有著非同尋常的導熱性和導電性。

    石墨烯電阻率極低，電子能在其中極為高效地移動，這使得石墨烯有非常好的導電性。相關專家介紹，如果將石墨烯與電子元件、電子設備進一步結(jié)合使用，可以增強儲電設備的儲電率，提高儲電性能。

    雖然只有一個原子的厚度，但石墨烯卻是非常強韌的材料。通俗地講，它強過鉆石，“秒殺”鋼鐵。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。如果用一個平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，可以承受1公斤的重物。

    石墨烯還具有“針插不進、水潑不進”的零滲透特性。如果給船體涂上石墨烯涂層，就好像穿上防腐“鎧甲”；如果發(fā)生化學品火災，一張石墨烯薄膜可以把火滅掉。

    石墨烯的驚奇之處還遠不止此。1克重的石墨烯展開后面積為2630平方米！這么大的比表面積（物理用詞：1克固體擁有的總表面積）使其擁有超強的吸附性。

    未來可應用于哪些領域？

    服務國民經(jīng)濟、百姓生活用途廣泛

    隨著科研發(fā)展，目前，石墨烯系列產(chǎn)品開始走入百姓生活。不久前在青島舉辦的2015中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，石墨烯理療、保暖產(chǎn)品、LED用高導熱石墨烯復合材料、石墨烯防彈材料等20余種石墨烯產(chǎn)品全新推出。

    在石墨烯的諸多應用中，最受普通大眾關注和期待的，是它改變手機等電子設備產(chǎn)品功能的可能性。

    智能手機剛出現(xiàn)的時候，長時間通話、玩游戲，手機就會發(fā)燙。如今這一問題基本解決——因為石墨烯材料極好的導熱性得到了應用。常州市某科技公司近年來生產(chǎn)出石墨烯導熱材料，迅速被應用在智能手機上，成為小米等手機的大客戶。公司銷售額在3年內(nèi)從600萬元“爆發(fā)式”增至2億元以上。

    智能手機觸控屏的性能提升將直觀地改善用戶操作體驗。上個月，我國一家科技公司推出了全球首款石墨烯壓力觸控傳感器，這一技術應用于智能移動終端電子產(chǎn)品上，可實現(xiàn)多級按壓感應、輕按、輕擊、指甲敲擊、殼體振動等多項功能。

    值得一提的是，中國科學院重慶綠色智能技術研究院已成功制備出國內(nèi)首片15英寸單層石墨烯觸摸屏，并正在開發(fā)系列基于石墨烯的柔性傳感器件。今后手機、電腦的顯示屏將超薄、超輕，可彎曲。

    石墨烯另一個備受期待的貢獻就是改進鋰電池性能。據(jù)介紹，簡單講，在鋰電池中加入石墨烯復合導電粉末，充電更快、容量更大、壽命更長。這有望讓手機“秒沖”、電動汽車告別幾小時充電成為現(xiàn)實。

    被科學家預言將“徹底改變21世紀”的石墨烯，還有什么令人期待？

    根據(jù)此次三部門印發(fā)的《意見》，未來石墨烯將在航空航天、武器裝備、重大基礎設施，以及新能源、新能源汽車、節(jié)能環(huán)保、電子信息等領域有廣泛應用。而石墨烯薄膜、石墨烯功能纖維的穿戴產(chǎn)品的開發(fā)，也讓這一新材料更好地服務民生。

    石墨烯時代還有多遠？

    從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的關鍵時期

    值得關注的是，中國本身就有生產(chǎn)石墨烯的獨特優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計，我國石墨礦儲量占到世界總儲量的75%，生產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量70%。目前，我國石墨烯企業(yè)已超過百家，并在常州、無錫、青島、深圳等地形成產(chǎn)業(yè)集群。

    業(yè)界普遍認為，經(jīng)過自主系統(tǒng)研發(fā)，生產(chǎn)技術、工藝裝備和產(chǎn)品質(zhì)量取得重大突破，我國石墨烯材料在儲能器件、改性材料、智能穿戴等產(chǎn)品上的應用效果逐步顯現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)化步伐明顯加快。我國石墨烯材料正處于從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的關鍵時期。

    把石墨烯產(chǎn)業(yè)打造成先導產(chǎn)業(yè)，國家政策指明了石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線。業(yè)內(nèi)人士認為，2015年是我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展元年，政策利好不斷釋放，石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將真正迎來春天。

    前景美好，“烯”望無限，但不得不承認，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍有諸多短板亟待補齊。

    據(jù)相關專家介紹，要實現(xiàn)石墨烯的“明星”應用，需要生產(chǎn)出低成本、高品質(zhì)的石墨烯成品。但要制出這種石墨烯我們在技術層面還面臨著很多挑戰(zhàn)。

    一些業(yè)內(nèi)人士指出，歐盟在2013年初對石墨烯作為“未來新興旗艦技術項目”給予10億歐元的資助，這是歐盟歷史上最大的投資。而我們的投資力度還較弱。而且，我國的石墨烯高端專業(yè)研發(fā)人才缺乏，研究力量也較為分散，亟須建立一條完整的石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)、應用的全產(chǎn)業(yè)鏈，優(yōu)化研究和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)環(huán)境，強化分工合作共同對石墨烯的應用市場進行培育與開拓。

    此外，雖然石墨烯研究應用發(fā)展迅猛，但石墨烯的研究單位和企業(yè)在石墨烯的定義、性能、制備方法等行業(yè)技術核心問題上尚未形成共識，石墨烯標準尚需進一步規(guī)范。

    3D打印材料

    雖然說3D打印在國內(nèi)近幾年熱度才升起來，但就國際而言，3D打印發(fā)展早在20世紀80年代就已經(jīng)興起了。國際范圍內(nèi)，美國Argen Corporation（在牙科金屬材料領域尤其有實力），美國Carpenter Technology，德國Concept Laser, 英國CPM，德國EOS，意大利Legor Group，英國LPW Technology，美國Pyrogenesis（在國防領域尤其擅長），瑞典Sandvik，德國SLM Solutions等企業(yè)在各自的金屬打印領域提供了一系列的行業(yè)解決方案。相比國外，國內(nèi)金屬3D打印材料大部分依賴進口，價格昂貴，這也促使國內(nèi)致力于3D打印金屬材料的企業(yè)和機構(gòu)自主研發(fā)金屬3D打印材料。

    金屬3D打印材料的應用領域相當廣泛，例如，石化工程應用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫(yī)療、造紙、電力工業(yè)、珠寶、時裝等。

    但是，因為金屬3D打印材料本身的材料屬性，其都有特定的應用領域范圍，因此，金屬3D打印材料選擇的過程是一個權(quán)衡多個因素的過程。而且，3D打印金屬不能僅僅憑借金屬3D打印機的參數(shù)來衡定，每種金屬材料都有適合自身特性的極限點，包括應用、功能、穩(wěn)定性、耐久性、美觀性、經(jīng)濟性都是設計師要考慮的因素。

    現(xiàn)今，國內(nèi)外金屬3D打印機采用的金屬粉末一般有：工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。

    碳纖維

    碳纖維增強復合材料（CFRP）是如何制造出來的呢？就讓我們從碳纖維說起。碳纖維只是一種纖維，只用它是無法制造出部件的。所以，碳纖維要和樹脂一起制成復合材料使用。根據(jù)所用樹脂種類的不同，以及碳纖維品種、狀態(tài)（可制成織物及短纖維等多種形態(tài)）的不同，制成的CFRP的特性也大不相同。單是主要的中間基材（成型材料）就有4種。這些中間基材及成型材料對應的主要成型方法也不一樣。

    CFRP使用的樹脂有兩大類，一類是環(huán)氧樹脂及非飽和聚酯樹脂等熱硬化性樹脂，另一類是聚丙烯（PP）及聚酰胺（PA）等熱可塑性樹脂。這兩種樹脂的特性有所不同。

    熱硬化性樹脂在碳纖維浸漬階段為低粘度單體，之后，隨著成型時的加熱發(fā)生聚合，變成聚合物（樹脂）。由于聚合反應需要一定時間，因此成型周期通常較長。利用制造飛機結(jié)構(gòu)件時使用的熱壓罐法，加熱時間達到2～4小時。

    而使用熱可塑性樹脂時，其成型與通常的樹脂成型基本相同，小尺寸部件的射出成型可在10秒內(nèi)完成，即便是非常大的大尺寸部件的沖壓成型，也可在1分～數(shù)分內(nèi)完成。由于加工效率高，因此可輕松實現(xiàn)低成本化。不過，與熱硬化樹脂相比，熱可塑性樹脂的熔融粘度較高，所以加工大尺寸部件時必須使用大型沖壓機。

    高熵合金

    高熵合金概念由臺灣科學家葉均蔚于1995年提出的。高熵合金含有多種主要元素，每種元素介于5%-35%之間。傳統(tǒng)金屬則是以一種元素為主，而高熵合金是多元素共同作用的結(jié)果。所以高熵合金是一種顛覆數(shù)千年以來的合金制備方法。與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金表現(xiàn)出更高的強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕等等。

    但是，高熵合金的機理及其科學問題尚未得到很好的理解。目前的高熵合金體系也只是通過“雞尾酒”方法調(diào)配而成， 還沒有科學系統(tǒng)的選擇合金元素的理論。

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