嚴小軍，董蓉樺，陳效真，武高輝

(1.北京航天控制儀器研究所，北京 100039；2哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

人類社會歷經(jīng)了石陶器、青銅器、鐵器、硅基和碳基等時代。從農(nóng)耕時代的“黃色文明”到工業(yè)時代的“黑色文明”，再到互聯(lián)網(wǎng)時代的“深藍色文明”，材料歷經(jīng)恒古，一直是社會進步的物質(zhì)基礎和人類文明的主要標志，更是科學技術(shù)發(fā)展的重要核心。人類社會跨越的每一步都離不開新興材料的科學進步，人類歷史也是材料進步歷史。人類歷史階段的劃分即是材料進步里程碑的劃分。材料研究水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展、科技進步和國防實力的重要標志。材料、能源和信息被看作21世紀社會發(fā)展和科學進步的三大支柱。

近年來，隨著我國航空航天、國防工業(yè)的發(fā)展，儀器儀表的精密化、輕質(zhì)化、小型化和集成化是必然趨勢，薄壁、異形復雜構(gòu)件的整體精密成形技術(shù)是必須解決的重大技術(shù)關鍵。近幾年來，應用先進設備、優(yōu)化加工過程和采用多元復合控制使得精密構(gòu)件成形技術(shù)有了較大發(fā)展；但是，材料始終是制約我國精密構(gòu)件性能精度的瓶頸，材料性能不穩(wěn)定、針對性材料更新?lián)Q代慢更成為制約精密構(gòu)件精度提高的關鍵因素。石墨烯技術(shù)的興起無疑為精密構(gòu)件的進一步發(fā)展提供了新的契機。

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)異的熱導率、電導率、透光率和柔性輕質(zhì)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(wǎng)絡技術(shù)以及航空航天和汽車工業(yè)等，以其輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)應用顯現(xiàn)出深遠廣闊影響[1]。

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(見圖1)，是目前自然界最薄、強度最高，且具有十分優(yōu)異光電、導熱、耐磨和耐腐蝕等性能的材料[2](見表1)。

圖1 石墨烯的透射照片

表1 石墨烯結(jié)構(gòu)材料的性能

可見，石墨烯是具有超高理論比表面積、高本征遷移率、高彈性模量、高透光率和理論電導率等特點，在能量存儲，透明電極、輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)等方面有著極大的應用潛力。

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)，以及石墨烯粉體的應用成果不斷涌現(xiàn)。石墨烯產(chǎn)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)化定制產(chǎn)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，對三維大面積石墨烯的生長以及石墨烯微觀力學、化學修飾和制備新型材料等研究如雨后春筍。

2 精密構(gòu)件輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)材料應用石墨烯分析

2.1 精密構(gòu)件的材料需求特點

精密儀器儀表結(jié)構(gòu)材料的尺寸穩(wěn)定性及功能材料的功能穩(wěn)定性是儀表高精度和精度穩(wěn)定性的基礎。精密儀器儀表對其結(jié)構(gòu)材料的性能要求與其他機械零件有著明顯的不同，具體如下：1)尺寸穩(wěn)定性高(在時效、冷熱交替變化、振動沖擊及輻照等環(huán)境條件下，尺寸變化通常<1～5 ppm)；2)熱學性能匹配性好(膨脹系數(shù)應與配合零件相匹配，避免在溫度變化過程中產(chǎn)生熱錯配應力；熱導率要高，具有抗熱載荷能力，減小熱慣性)；3)微屈服強度高(發(fā)生永久微應變前承受載荷的能力大)；4)密度小(在高速擺動下慣性力矩??；在振動條件下系統(tǒng)保持穩(wěn)定)；5)剛度高(在應力作用下彈性變形??；在振動條件下諧振頻率高)；6)環(huán)境適應性強(抗高能射線輻照，抗高真空、抗粒子流沖擊、抗腐蝕、抗電磁環(huán)境)；7)力學與物理學性能各向同性(能保證復雜零件對外界環(huán)境變化的反應能夠在各個方向上均勻一致，易于誤差補償)；8)有的零件功能材料要求密度高、電磁性能好。

2.2 精密構(gòu)件輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)材料應用石墨烯的可能性

石墨烯正在被不斷探討且充滿爭議，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(chǎn)業(yè)家則更看重它的實用價值。其卓越的光學、熱學、電學和機械性能已經(jīng)對半導體、光伏儲能、航空航天的輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)等應用帶來革命性的影響，同樣也將對精密構(gòu)件材料的應用帶來影響。

2.2.1 石墨烯與精密構(gòu)件常用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料性能對比

石墨烯與目前精密構(gòu)件常用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料性能的對比見表2。

表2 石墨烯與精密構(gòu)件常用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料性能對比

由表2可見，石墨烯各項性能指標均遠高于目前精密構(gòu)件常用的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，但其很難直接作為工程功能結(jié)構(gòu)材料應用。可通過復合增強賦予基體多功能化特性，發(fā)揮石墨烯獨特的強韌化機理，光學、熱學、電學優(yōu)異特性以及納米量子效應，從而獲得一種新型的輕質(zhì)、導熱、導電和加工性能優(yōu)異的輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)一體化材料。

2.2.2 精密構(gòu)件功能結(jié)構(gòu)材料應用石墨烯

本研究從如下3個方面進行探討。

1)作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。石墨烯具有精密構(gòu)件需要的高彈性模量、高強度、高熱導率和低密度等特點，但同時也有不利于精密構(gòu)件的缺點，如力學與物理學性能各向異性，通過復合增強后，石墨烯復合材料有望通過設計充分發(fā)揮石墨烯的優(yōu)點，彌補各向異性的不足；因此，石墨烯復合材料在精密輕質(zhì)構(gòu)件中應用潛力巨大。各種石墨烯復合材料中，以鋁基復合材料研究最為廣泛，國內(nèi)外石墨烯/鋁復合材料研究進展見表3。

表3 國內(nèi)外石墨烯/鋁復合材料研究進展[4-28]

石墨烯/鋁復合研究始于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年率先報道了石墨烯/鋁復合材料的研究結(jié)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(jié)合面易生成Al4C3反應物(脆性)，嚴重影響了復合力學性能。通過均勻性改善和界面反應控制，石墨烯/鋁復合材料性能有了極大提高，目前強度提高50%，硬度提高138%。

北京航空材料研究院、哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學等高校和院所也進行了初步研究。北京航空材料研究院的石墨烯/ 鋁復合軋制板材抗拉強度達900 MPa。哈爾濱工業(yè)大學的少層石墨烯/鋁復合材料，獲得目前國內(nèi)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%，300和400 ℃抗拉強度提高500%，熱導率提高64%，熱膨脹系數(shù)降低32%。其制備流程如圖2所示。這些研究為石墨烯增強鋁基復合材料在精密輕質(zhì)構(gòu)件中的應用奠定了基礎。

圖2 哈爾濱工業(yè)大學制備石墨烯/Al復合材料的流程

但是，石墨烯/鋁復合材料作為精密結(jié)構(gòu)體的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件，仍需解決增強體復合份額、界面脆化和均勻分布問題，尤其是精密構(gòu)件的各向同性要求。

2)作為阻尼減震材料。石墨烯具有極高的楊氏模量(1 000GPa)、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)，使材料輕質(zhì)高強，同時兼具優(yōu)異黏彈阻尼性，提高了材料減振性能。石墨烯的黏彈行為如圖3所示。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3 石墨烯的黏彈行為

3)作為電磁屏蔽材料。電磁屏蔽材料可利用材料反射、吸收、衰減電磁輻射，使其不能進入屏蔽區(qū)。石墨烯物理結(jié)構(gòu)優(yōu)異和電導率高，作為電磁屏蔽的理想材料令人期待和矚目。Chen等[29]制備了聚二甲基硅氧烷/石墨烯(0.7%)泡沫復合材料，在30 MHz～1.5 GHz頻率段，屏蔽效能可達30 dB，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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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38.8 dB。這是石墨烯在基體中形成有效導電網(wǎng)絡提供足量電荷載流子，電磁波與載流子交互作用產(chǎn)生熱能消耗。相關屏蔽涂料已經(jīng)問世，軍民應用前景廣闊。

3 精密構(gòu)件輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)應用石墨烯的思考和建議

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、熱學和電學性能，在電磁屏蔽、二維熱均衡控制等功能化二維膜層的應用將會有所突破；但各向異性結(jié)構(gòu)制約了精密結(jié)構(gòu)體的應用。有望將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(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)獲得三維各項同性的三維石墨烯鋁復合材料研制。在此基礎上，根據(jù)精密構(gòu)件產(chǎn)品的不同需求開展適用性研究，實現(xiàn)精密構(gòu)件應用，推動精密構(gòu)件進步[30]。

4 結(jié)語

石墨烯發(fā)現(xiàn)僅10余年，還存在著很多不確定性且爭議不斷；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)物理等多領域的研究熱點，受到世界科技和工程界的重視。目前，其制備技術(shù)正逐步由實驗室走向商業(yè)化，應用產(chǎn)品開發(fā)不斷取得新進展。

材料是精密構(gòu)件的根本。石墨烯技術(shù)不是單純的材料性能研究，工程應用更為重要。所以，將材料研究與工程應用研究相結(jié)合，才能讓石墨烯技術(shù)在精密儀器儀表領域大放異彩，使精密構(gòu)件技術(shù)萌發(fā)新的革命。

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