2018-10-22

石墨烯的確是萬能材料。現階段石墨烯還只能做「配角」，畢竟受限於石墨烯必須依附基材而生，本身是無法直接取代塗料或合金等原本的功能。我常會形容石墨烯像是「天山雪蓮」，可以立馬增加你一甲子功力，只不過你也得跟著體質來服用，並不是誰都可以服用的！至於有些學者一直說石墨烯現在只能做些接地氣技術，並沒有出現高大上的技術，其實這對石墨烯是很不公平的。難道只有半導體算是高大上，武直-10/19 披掛了附加石墨烯防彈裝甲就不算高大上了嗎？這些不接地氣的學者，就是沒有親自到現場去了解過，所以一直重複鬧笑話而不自覺。

我國的航空動力一直大大落後於西方歐美髮達國家。作為直-10 的國產動力渦軸-9 發動機，雖然滿足了我國武直動力不受制於人的要求，但其最大功率只有 1,000-1,100千瓦，與其原型機裝備的加拿大普惠公司生產的（原為美國普惠分公司，後自立門戶）PT-6B 渦軸發動機相比，功率足足小了 400 千瓦左右，導致設計單位在設計後期不得不對機體大幅減重。因此與國外的武裝直升機相比，我軍服役的武直很少有披掛附加裝甲的照片流出。根據中航裝甲科技其發布的產品公開資料稱，其製備的防彈裝甲板密度低於 2.8 克/立方厘米，僅是防彈鋼板密度的 30%，防彈鈦合金板的 56%，經過多次實際打靶測試，其防彈效果和抗多次打擊能力明顯優於同等厚度的防彈鈦合金板。也優於同等厚度的防彈鋼板，能有效抵禦 100 米外初速為 900 米/秒的 12.7 毫米鎢合金穿甲彈。而石墨烯含量僅為 1% 左右，其餘均為價格便宜的鋁合金和碳化硅材料，與航空鋁合金相比，僅僅增重3%。因此，在武直-10，武直-19 使用了石墨烯複合防彈材料來替換原來的鈦合金防彈裝甲材料後，飛機機體實現了大幅減重。假設原武直-10 鈦合金防彈裝甲和俄羅斯米-28 鈦合金裝甲重量一樣，同為 350 千克，現僅需 196 千克，減重達 154 千克，完全可以將空出來的重量用來披掛石墨烯附加裝甲，近一步提高防彈能力。同樣的，石墨烯複合防彈材料更可利用再猛是高機動車輛上，作為理想的防護材料。

也來談談一般民用航空器吧！航空材料是製造飛機 (包括飛行器)、航空發動機及其附件、儀錶及隨機設備等所用材料的總稱，通常包括金屬材料 (結構鋼、不鏽鋼、高溫合金、有色金屬及合金等)、有機高分子材料 (橡膠、塑料、透明材料、塗料等)和複合材料。以 C919 飛機產業鏈為例包括：發動機、機電、電子、整機生產及零部件測試五大系統，其中，涉及的材料主要有鋁/鋁鋰合金 (20%)、鋼 (7%)、鈦 (14%)、複合材料 (52%) 及其它 (7%)。目前，針對第三代航空產品所需關鍵材料，如熱強鈦合金、高強鋁合金、超高強度結構鋼不鏽鋼、樹脂基複合材料、單晶與粉末高溫合金等，從技術上看，已具備試用條件，但要轉化為在特定工況下使用的零部件，並體現出第三代航空產品的總體效能 (技術與戰術性能、使用可靠性與壽命以及經濟效益等) 尚需做大量的工作。我國航空材料的現狀與新一代航空產品 (飛機以 F -22 為代表，發動機推重比 10 為代表) 對材料的需求之間尚存在較大的差距，主要有：前沿材料研究滯後，新材料儲備小，第三代、第四代航空產品所需的一些關鍵材料，如快速凝固材料、高強輕質結構材料、熱強鈦合金、超高強度鋼、金屬問化合物及以其為基的複合材料、樹脂基複合材料等的研究滯後，與國外先進新材料研製水平的差距約為 15-20 年；新材料研製、生產和應用研究的基礎條件較差，如超純熔煉、高溫整體擴散連接、噴射成型、等溫鍛造、電子束沉積塗層、納米材料製備、超高溫檢測、超聲顯微鏡、激光無損檢測等先進的合成與加工設備、質量檢測與控制手段等不能滿足新材料研製、生產與應用的需要。

看來想來個彎道超車，還是得靠石墨烯來成就大業，接下來，我們就來談談石墨烯在航空航天領域有哪些應用？

石墨烯在航空領域的進展

韓國：利用在含銅和鎳的複合材料中使用石墨烯，發現了金屬-石墨烯納米層複合材料中單原子層石墨烯具有強化效應。

英國：加的夫大學工程學院在碳纖維樹脂基複合材料中加入石墨烯納米薄片（GNP）/碳納米管（CNT），用以提高碳纖維的增強能力。

美國：麻省理工的研究團隊研究發現，將石墨烯紙揉皺成一團，可以製備的超級電容器。

中國：通過開發石墨烯上漿劑，將石墨烯引入碳纖維複合材料界面層，抑制界面層中裂紋的萌生，從而可大幅提高碳纖維複合材料的強度和韌性，擴大其應用範圍。當鋁基複合材料中加入 10% 以上石墨烯時，石墨烯鋁基複合材料可製備具有輕質、高模量、高強度的高性能結構材料，廣泛用於直升機槳轂以及目前鋁基複合材料研發所瞄準的各類飛機結構。

在紅外隱身偽裝塗料中的應用

2013 年 7 月，加州大學的研究人員開發出稱之為 Reflectin A1 (RfA1) 的偽裝塗料，它通過在石墨烯模板上製備仿生偽裝塗層，可實現器件的紅外隱身。科研人員利用 Reflectin 蛋白質製備薄膜，其反射率可動態調整的範圍超過 600nm，當存在外部刺激時，甚至達到 700-1200nm。Reflectin 的可調光性能可與人造高分子材料媲美。這些塗層的特性包括：通過薄膜可以改變反射光的波長，被激活時將以不同的路徑反射紅外光；可通過改變濕度或施加乙酸蒸氣來實現開關，改變光的反射路徑；這種塗層可以在夜間濕度提高時處於「打開」狀態，或通過釋放一種化學信號以實現與背景兼容。例如在玻璃基板上沉積 5-10nm 厚的氧化石墨烯薄膜，然後將 RfA1 塗層覆於其上，這些薄膜將呈現出鮮明的顏色，而且顏色隨薄膜的厚度而變化，例如 125nm 厚的薄膜是藍色，207nm 厚的薄膜呈橘紅色。這種新塗層可以大面積塗敷於的表面結構，從而邁出開發與環境兼容的、可自主調節的、用于軍事偽裝材料的第一步。

在雷達微波隱身方面，石墨烯也具有很強的發展潛力，一系列以單質或複合材料形式存在的碳納米材料（碳納米管、石墨烯等）在降低雷達反射面方面表現出極好特性。印度國防研究與發展組織（DRDO）開發了用於雷達的微波吸波塗層以及用於地面裝備、航空航天和海軍武器的功能性納米材料/納米複合材料，以實現上述武器裝備的隱身、輕量化及高強度等特性。另外，來自韓國的研究人員報道了一種由石墨烯/凱芙拉（Kevlar）/環氧複合材料的雷達吸波結構的製造方式。該複合材料含有 9% 石墨烯，驗證結果顯示，在 2.5mm 厚度時，在 12-18GHz 頻率範圍內的反射信號可衰減 10dB 以上。

在航天熱電材料中的應用

目前國內已開展通過添加石墨烯來提高複合材料熱點轉換效率的研究。劉雅梅用濕化學法合成石墨烯 Bi2Te3 納米複合粉體，並通過靜電吸附、燒結製備的塊體納米複合熱電材料在 400K 時 ZTmax=0.73，表明石墨烯複合材料熱電性能優良。在深空探測活動中，利用熱電材料直接將放射性同位素衰變熱轉換成電的能源供應方式將是深空探測器的首選，且已被成功應用於美國宇航局發射的「旅行者一號」和「伽利略火星探測器」等宇航器上。

在航天氣體感測器中的應用

目前石墨烯已經用於航天感測器方面，石墨烯具有大的比表面積、高的電子遷移率和易摻雜性的特點，這一特點決定了其作為感測器敏感材料更具有極大的應用潛力。石墨烯的平面結構導致它的碳原子極易吸附氣體分子，被吸附的氣體分子則充當了電子的予體或受體，從而改變了石墨烯的電阻值，而且即便只有單個氣體分子被吸附時，都可以通過石墨烯的電子傳輸速率和電阻值的變化產生相應的電信號被檢測到，這使得石墨烯對所處氣體環境極其敏感，此外石墨烯與不同成分氣體的作用效果也不同，可以利用石墨烯這些特點，來研發用於檢測低軌空間環境氣體成分及其變化的感測器，如測量原子氧濃度的氣體感測器。

在特殊功能材料的應用

除隱身材料外，石墨烯還非常適於製作其他各類特種功能材料，如用於製作輕量化電子顯示器、輕而薄的機上娛樂系統，並替代混亂的機內布線等。石墨烯樹脂塗層可用於隔熱、飛機雷擊、防腐、雨蝕、冰雹及沙暴侵蝕的防護等，且可將其剪裁成具有不同特性的多功能塗層。例如為克服由機內布線除冰導致的增重及環境污染，2013 年，瑞典薩伯公司用 0.77mg 的石墨烯薄膜材料混入樹脂中，將其塗覆於機體及零件表面，然後通電流加熱，以達到除冰目的。

最後，來談談電磁兼容與石墨烯的關連性吧！傳統吸波材料 (鐵氧體、石墨、陶瓷類材料等) 的主要缺點是密度大、吸收頻帶窄等，因而不能滿足吸波材料「薄、輕、寬、強」的要求。新型的吸波材料主要有石墨烯、納米材料、多晶鐵纖維、導電高聚物等，其中石墨烯納米材料與導電高聚物已經成為電磁領域的研究熱點。目前石墨烯在電磁屏蔽及吸波材料中的應用研究可以分為二大類：一是石墨烯-金屬複合材料，二是石墨烯-聚合物複合材料。俞書宏等採用水熱法以三乙醯丙酮鐵做鐵源，在氬氣保護下製備出 Fe3O4/rGO 複合材料，該材料具有較好的磁性。付永勝等以水/溶劑熱法合成 MnFe2O4/石墨烯磁性複合材料，研究發現該材料不僅具有良好的磁性，且由於石墨烯的空導帶隙特性，還可以作為光催化劑的載體，在可見光區域具有良好的催化活性。黃琪惠等由羰基鐵熱分解法原位製備多層石墨烯/Fe/Fe3O4 納米複合材料。在石墨烯片層上附著了 Fe/Fe3O4 球型顆粒，其尺寸小於 50nm。以金屬為襯底，當複合材料厚度為 1.5mm 時，在 10-16GHz 範圍內反射損耗在 -10dB 以下，當厚度為 3mm 時，材料的反射損耗最大為 -25dB。

看完了三篇有關製造 2025 跟石墨烯的關聯性，可以驗證我過去常提到的一段話：石墨烯是一群先進材料的集合體，必須根據需求來製備客制化石墨烯，找到匹配的石墨烯就可以大幅提升產品的性能。別急，讓我們繼續看下去！

Ref.:

宮非：接地氣系列G之廿八：吸波材料也來順便做一做吧?

zhuanlan.zhihu.com宮非：接地氣系列G之廿七：要做好電磁屏蔽材料真的很難?

zhuanlan.zhihu.com
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