嚴小軍，董蓉樺，陳效真，武高輝，王亞軍

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱150001；3.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095）

石墨烯用于慣性器件輕質功能結構的探討

嚴小軍1，董蓉樺1，陳效真1，武高輝2，王亞軍3

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱150001；3.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095）

石墨烯（Graphene）在2004年被首次發(fā)現(xiàn)，2010年兩位英國科學家因此獲得諾貝爾獎。石墨烯技術研究被世界各國提升至戰(zhàn)略高度，成為最熱門研究領域之一，在鋰離子電池、傳感器、功能涂料、復合材料等領域不斷取得豐碩成果。針對慣性技術輕質功能結構件的應用需求，通過對石墨烯材料技術特征和國內外應用現(xiàn)狀進行梳理，結合慣性行業(yè)特點，對石墨烯作為慣性器件輕質功能結構材料的應用發(fā)展進行了探討。

石墨烯；慣性器件；復合材料；輕質；功能材料

0 引言

陶石器、青銅器、鐵質冷兵器、硅微電子，碳的無人自主智能時代，農耕時代的黃色文明、工業(yè)時代的黑色文明到互聯(lián)網時代的深藍色文明，材料歷經亙古，記載和標志著人類的進步，一直是社會進步物質基礎和人類文明主要標志，更是科學技術發(fā)展進步核心。人類社會跨越的每一步都離不開新興材料科學進步。材料研究水平和產業(yè)規(guī)模已成為衡量經濟發(fā)展、科技進步和國防實力的重要標志，是21世紀社會發(fā)展、科學進步的三大支柱之一。

同樣，“系統(tǒng)精度在儀表，儀表精度在元件，元件精度在材料”“一代材料，一代儀表”。慣性技術作為一項多學科交叉、多技術結晶，也和材料發(fā)展有著密切的關系。

近年來，國防高技術發(fā)展迅猛，推動了戰(zhàn)略新常態(tài)和太空經濟新趨勢，也促成了多維跨域立體交叉高端沖突、無人智能多信息協(xié)同和多模式能量對抗的新型戰(zhàn)爭模式特點。空間探測、空間競爭、空間安全的升溫，對未來武器裝備形成新的期望。沒有自主導航控制，就不可能創(chuàng)生戰(zhàn)略新常態(tài)，自主導航控制、精確打擊就是新一代顛覆性技術。

自主精確慣導裝備是武器裝備信息化，精確可靠、機動快速、有效殺傷的核心敏感源，只有實現(xiàn)高精度、高可靠、輕質小型、低成本才能使智能自主、協(xié)同精準、機動突防、可靠生存和戰(zhàn)略威懾、戰(zhàn)役防御精確打擊成為可能。它是 “武器裝備信息化、信息裝備武器化、信息系統(tǒng)一體化、作戰(zhàn)體系協(xié)同化、基礎設施實用化”的核心高技術。

從20世紀50年代至今，由于采用特種鈹材和多元復合材料的應用，相比于原來的技術參數(shù)，慣性陀螺角動量減小至1/140、體積縮小至1/130、質量減輕為1/16、干擾力矩下降為近1/3000、精度提高近150倍左右、漂移誤差下降至1/200；慣性加速度計角動量減小為 1/210、擺性減小為1/500、體積縮小為 1/800、質量減輕為 1/130、相對誤差下降為1/100。但是，距離需求始終存在較大差距。石墨烯技術的興起無疑為慣性器件的進一步發(fā)展提供了新的契機，受到慣性技術領域的特別重視和關注。

1 石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

納米材料是新時代最有活力的材料，而在眾多納米材料之中，石墨烯及其復合材料展現(xiàn)出了超高的強度、優(yōu)異熱導率、電導率、透光率和柔性輕質等特性。其力學、熱學、電學、磁學、光學、聲學和耐蝕性能等正在能源、環(huán)境、生物、電子、網絡技術以及航空航天和汽車工業(yè)等領域顯現(xiàn)出深遠廣闊影響［1］。

1.1 石墨烯基本性能

如圖1所示，石墨烯是一個由碳原子以SP2雜化緊密堆積成六角形蜂窩晶格，只有一層原子厚度的二維開放平面晶體材料，是目前自然界最薄、強度最高，同時具有十分優(yōu)異光電、導熱、耐磨、耐腐蝕等性能的新材料［2］，石墨烯的結構參數(shù)如表 1 所示［3］。

圖1 石墨烯的透射照片F(xiàn)ig.1 Transmission electron micrographs of Graphene

表1 石墨烯結構材料的性能Table 1 Properties of Graphene

可見，石墨烯具有超高理論比表面積（2630m2/g）、高本征遷移率（200000cm2/V/s）、高楊氏模量（～1TPa）、高透光率（－5000W/m/K）和理論電導率（2630）等特點，在能量存儲、透明電極、輕質功能結構等方面有著極大的應用潛力。

1.2 石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

石墨烯研究可追溯到大約150年前，人們?yōu)榱私忉屇承嶒灛F(xiàn)象，將單層石墨作為最小的層狀基本理論單元抽離出來命名為石墨酸，此概念并非真實存在。直到2004年，英國曼徹斯特大學（Universityof Manchester）物理學家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）（2010年獲諾貝爾獎）采用微機械剝離方法成功從高取向石墨中首次分離出了二維石墨烯晶體［4］，這才發(fā)現(xiàn)了這一性能優(yōu)越的新型二維碳納米材料，并糾正了二維晶體室溫下不能穩(wěn)定存在的錯誤認識。

目前，石墨烯研究如火如荼，單層、寡層、多層、薄膜、納米片（nanosheet）、納米帶（nanoribbon）、納米圓盤（nanodisc）以及石墨烯粉體，應用成果不斷涌現(xiàn)。有11種（電子產品、功能紡織品、增強輪胎、摩擦散熱材料、輕質結構材料、防腐涂料、熱變色玻璃、污染物檢測器和傳感器、電池、太陽能電池板）產品已經和即將應用于航空、汽車、機器人行業(yè)，如圖2所示。石墨烯產業(yè)在我國也欣欣向榮，諸多儲能器件及其應用獲得較大突破，在中央處理器和芯片等核心電子元件的應用研究取得進展，相應石墨烯價格持續(xù)回落、商業(yè)定制化產品需求日見增多、供應商專業(yè)化漸成主流、行業(yè)國家標準即將出臺。并且，對石墨烯三維大面積生長、微觀力學、化學修飾及制備新型材料等研究如雨后春筍。

圖2 石墨烯材料在汽車和無人機上的應用Fig.2 Application of Graphene in automobile and unmanned aerial vehicle

2 石墨烯、慣性器件輕質功能結構材料應用分析

2.1 慣性器件特點

慣性技術是一門可自主控制載體姿態(tài)軌跡，經天緯地的高技術，是順利升空、準確入軌、精確對接、安全返回、定點著陸、快速反應、精確打擊、智能敏感、數(shù)字地球、智慧中國不可或缺的運動信息感知測量核心技術，是現(xiàn)代武器裝備、國民經濟多個領域精確敏感、輕量自主、智能保持、自動控制、多物理場耦合、多學科結晶的關鍵前沿［5］。

為此，慣性技術產品既凸顯了性能高精度、輕質小型、精密可靠等特點，可抗空間多種粒子輻照和溫度、電磁、過載等極端惡劣復雜環(huán)境需求；同樣，又體現(xiàn)了精細多參數(shù)、精密多工序、精準多配合、精確多形狀、精良微應力、精工多專用、精心多工匠的制造特色。近年來，新理論新概念產品不時涌現(xiàn)，產品應用領域廣，民用市場發(fā)展需求快速，競爭殘酷。但是，制造卻成為制約其精度提高、性能改善、效率提高、成本降低的 “黑障”。多種新興材料和數(shù)字化制造的興起顛覆了從裝備到工藝、從材料到設計的傳統(tǒng)思維理念，形成了革命性的沖擊。精密慣性技術產品作為典型精密結構體制造已成為新興戰(zhàn)略產業(yè)技術必須正視的現(xiàn)實，人們反思 “用無休止的設備精度保證越來越高精度”的傳統(tǒng)思維正確性。同時，慣性技術產品（傳統(tǒng)機械、光學固態(tài)、MEMS和硅微、新興原子慣性產品及系統(tǒng)以及儲能飛輪、力矩陀螺等）廣泛應用于航空航天、航海深潛、陸用交通、能源鉆探、醫(yī)療保健、智能制造、影視娛樂、網絡通信、工程安全、穩(wěn)姿穩(wěn)向等10個方向 （見圖3），也就決定了其輕質功能結構材料需求的復雜多樣性、軍民兼容性、通專兼?zhèn)湫院吞胤N專用性。

2.2 慣性技術產品材料需求特點

廣（軍民兩用）、高（空間制導、穩(wěn)姿穩(wěn)向）、深（深潛深探）、精（精確精準）、引（引領精密制造）的特點決定了慣性產品功能結構必須具備多維多層級多尺度的幾何尺寸穩(wěn)定性、多維多場效應復雜結構的應力平衡性、多維異形結構多材料的融合匹配性、輕質小型致密抗輻照抗腐蝕性、全溫多種復雜使用環(huán)境適應性、避免和防止多余物揮發(fā)物再生的6個特點（慣性產品材料應用6要求）。由此宏觀物象微觀量化歸咎、通用尺度的精密超精密極致量化判督、四維空間真值方位量化找準傳遞、多物理場微應力應變效應的量化探究、微小角速率、微重力的靈敏量化感知、高動態(tài)大過載復雜環(huán)境下的微量量化傳輸、新概念新原理技術關鍵譜量的量化分離識別、特種專用功能結構材料的量化核驗就成為慣性技術產業(yè)鏈中揭示產品整體物象特征的真諦，實現(xiàn)精準量化描述和精確表征，支撐慣性技術科學研究和推動工程應用8項核心瓶頸技術。解決這8項關鍵技術的量化參數(shù)的確定，就會使慣性技術產生新的革命性進步，核心還是材料。當然，從功能結構需求又可分箱蓋（箱體、帽蓋）、座架（基座、框架）、儀表（陀螺加速度計）3類材料，即材料制造要輕質各向同性（可根據功能結構件的應用特點分別對待）、高強度、剛度、韌性、抗震、耐磨結構性能和高電磁性能、高導熱導電、抗腐蝕性以及良好的可制造性。

圖3 慣性技術產品及應用需求網絡圖Fig.3 Diagram of inertial technology products and application requirements

2.3 石墨烯、慣性技術輕質功能結構材料可能性

石墨烯技術在不斷發(fā)展中，科學家希望它像鐵硅時代的鐵和硅成為劃時代的高端材料，產業(yè)家更看重它的實用價值。雖然石墨烯存在爭議，但其卓越的光學、熱學、電學和機械性能已對半導體、光伏儲能、航空航天的輕質功能結構等應用帶來革命性影響，同樣也影響著慣性技術材料的應用。

（1）石墨烯與慣性器件常用輕質結構材料性能對比

如表2所示，石墨烯的各項性能指標均遠高于目前慣性器件常用輕質結構材料，但很難直接作為工程功能結構材料應用。有望通過復合增強的形式發(fā)揮石墨烯獨特的強韌化機理、光熱電學的優(yōu)異特性、納米量子效應，從而獲得一種新型的輕質、導熱、導電和加工性能優(yōu)異的輕質功能結構一體化材料。

表2 石墨烯與目前慣性器件常用輕質結構材料性能對比Table 2 Performance comparison of Graphene and inertial devices commonly used lightweight structural materials

（2）石墨烯、慣性輕質功能結構材料應用探討

①作為結構材料

目前，美軍用石墨烯（0.2%～0.375%）碳纖維增強樹脂基復合材料集裝箱，相對于傳統(tǒng)集裝箱，質量從113.4kg減至31.8kg，強度顯著增加；利用石墨烯制成的殼體較普通鋼材減重83%，屈服強度提升1200%。韓國金屬基石墨烯（0.0004%）復合，強度變?yōu)殂~的500倍、鎳的180倍?？梢姡瑯O高強度、模量、比表面積和延伸性能使得石墨烯成為理想復合材料增強體。尤其與顆粒及纖維增強材料相比，石墨烯獨特的二維結構和粉體具有全新的強韌化機理，并在光學、熱學和電學性能上展現(xiàn)出來的優(yōu)異性能。MDI改性石墨烯/TPEE復合材料的屈服強度、拉伸強度、楊氏模量和斷裂伸長率皆有明顯提高，且抗蠕變性能也有很大提升。輕質功能結構材料潛力巨大，關鍵是如何發(fā)揮石墨烯優(yōu)異性能。眾多研究中以鋁基復合材料最為廣泛，如表3所示［6-30］。

表3 國內外石墨烯/Al復合材料研究進展Table 3 Research progress of Grapheme/Al composites

石墨烯/Al復合研究始于2011年，美國陸軍武器研究發(fā)展與工程中心貝尼特實驗室于2011年率先報導了石墨烯/Al復合材料的研究結果。研究初期發(fā)現(xiàn)，石墨烯均勻性較難控制，與鋁復合在結合面易生成Al4C3反應物（脆性），嚴重影響復合力學性能。通過均勻性改善、界面反應控制，石墨烯/Al復合材料性能有了極大提高，目前強度提高50%，硬度提高138%。

在國內，北京航空材料研究院、哈爾濱工業(yè)大學、上海交大等高校院所也進行了初步研究。經過研究證明，石墨烯加入后，只要用過擠壓、軋制等變形加工，將石墨烯大致定向排列，基體鋁合金的的彈性模量、室溫和高溫強度、熱導率和電導率等性能均有大幅度提高。北京航空材料研究院的石墨烯/Al復合軋制板材抗拉強度達900MPa。如圖4所示，哈爾濱工業(yè)大學研制的少層石墨烯/Al復合材料獲得目前國內最高強化率，較鋁合金提高300%以上，彈性模量提高34%，微變形抗力提高110%，室溫抗拉強度提高216%，室溫彎曲強度提高230%，延伸率提高24%，抗拉強度提高500%，熱導率提高64%，熱膨脹系數(shù)降低32%，具有良好的塑性加工性。需強調，這些數(shù)據均是在擠壓棒材和軋制板材（最薄可達0.3mm）的擠壓軋制方向上測試的實驗結果，垂直方向上熱導率遠低于鋁合金。圖5為石墨烯/Al復合材料高導熱面板。

圖4 哈爾濱工業(yè)大學制備石墨烯/Al復合材料的流程Fig.4 Process of preparing Graphene/Al composites by Harbin Institute of Technology

可見，石墨烯粉體的出現(xiàn)，應該加速石墨烯/Al復合材料工程應用。但是，作為慣性器件精密結構體的輕質結構件，仍需解決增強體復合份額、界面脆化和均勻發(fā)布問題，尤其是慣性器件的結構材料各向同性要求。

圖5 石墨烯/Al復合材料衛(wèi)星高導熱蜂窩面板（復合材料0.3mm薄板）Fig.5 Graphene/Al composite for satellite high thermal conductivity honeycomb panel（0.3mm sheet）

②作為阻尼減震材料

石墨烯具有極高的楊氏模量（1000GPa）、振動頻率（MHz量級）和優(yōu)異的黏彈阻尼性（10層比5層更具高損耗因子），如圖6所示。材料輕質高強同時，兼具優(yōu)異黏彈阻尼性，提高了材料減震性能。如何進一步通過界面設計、化學改性等方法，制備具有優(yōu)異黏彈阻尼特性的石墨烯復合材料仍需開展深入的研究。

圖6 石墨烯的黏彈行為Fig.6 Viscoelastic behavior of Graphene

③作為電磁屏蔽材料

電磁屏蔽材料即利用材料反射、吸收、衰減，使電磁輻射不能進入屏蔽區(qū)。石墨烯優(yōu)異物理結構和電導率高，作為電磁屏蔽理想材料令人矚目。Chen等［31］制備了聚二甲基硅氧烷/石墨烯（0.7wt%）泡沫復合材料，在30MHz～1.5GHz頻率段，屏蔽效能可達30dB。泡沫提高了石墨烯聚合物中有效濃度，泡空壁中形成電子快速傳遞連續(xù)三維網狀結構通道。Bai等通過還原法制備石墨烯（2.6%）/聚環(huán)氧乙烷復合材料，反射損耗高達38.8dB。這是石墨烯在基體中形成有效導電網絡提供足量電荷載流子，電磁波與載流子交互作用產生熱能消耗。相關屏蔽涂料已經問世，軍民應用前景廣闊。

3 石墨烯用于慣性技術輕質功能結構的思考和建議

目前，鈹材依然是慣性器件較理想的材料，但是鈹材的耐磨性、導熱導電性較差，且昂貴、粉塵有毒，其應用被大大限制。石墨烯及其復合材料只有在二維或一維方向具有優(yōu)異的力學、熱學、電學性能（其性能打多少折扣，仍需深入實驗研究），電磁屏蔽、二維熱均衡控制等功能化二維膜層的應用將會有所突破。但二維各向異性結構制約了精密結構體的應用，希望石墨烯截面減小到一定程度，通過特殊的方法制備石墨烯呈三維網絡框架結構，實現(xiàn)獲得三維各項同性的三維石墨烯鋁復合材料研制。因此，要持續(xù)開展基于慣性需求的石墨烯相關技術的應用研究，如室溫霍爾效應、電子衍射等，發(fā)揮石墨烯獨特作用和潛力的同時，加強高體積分數(shù)石墨烯/Al復合材料的研究（目前通常小于2wt%）。在此基礎上，根據慣性產品不同需求開展適用性研究，實現(xiàn)慣性器件應用，推動慣性技術進步。

4 結論

石墨烯發(fā)現(xiàn)僅10余年，因存在很多不確定性而爭議不斷。但其優(yōu)異性能的誘惑，始終使其成為材料科學和凝聚態(tài)物理等多領域研究熱點，受到世界科技和工程界的重視。目前其制備技術正逐步由實驗室走向商業(yè)化，應用產品開發(fā)不斷取得新進展。

材料是慣性器件的根本。石墨烯技術不是單純的材料性能研究，工程應用更為重要。所以，科學拓展石墨烯慣性產品應用研究，將材料研究與工程應用研究相結合，才能讓石墨烯技術在慣性領域大放異彩，使慣性技術萌發(fā)新的革命。

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Discussion on Graphene Used for Inertial Device of Light Functional Structure

YAN Xiao-jun1，DONG Rong-hua1，CHEN Xiao-zhen1，WU Gao-hui2，WANG Ya-jun3
（1.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039； 2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001；3.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095）

From the first discovery in 2004 to the Nobel Prize in 2010，countries around the world promoted Graphene technology research to a strategic level to a strategic level.Graphene become one of the hottest research areas，acquired great achievement in the field of Lithium-ion batteries，sensors，functional coatings and composite materials.In this paper，based on the application requirements of inertial technology lightweight functional structural，Graphene as inertial device in the development of lightweight functional structural materials was discussed，through combing the technical characteristics and research situation of Graphene materials.

Graphene； inertial device； composite material； light； functional material

U666.1

A

1674-5558（2017）07-01475

10.3969/j.issn.1674-5558.2017.06.016

2017-09-27

航天先進制造技術研究聯(lián)合基金（編號：E050903）

嚴小軍，男，博士，研究員，研究方向為慣性儀表工藝技術。