2018-10-22

石墨烯的确是万能材料。现阶段石墨烯还只能做「配角」，毕竟受限于石墨烯必须依附基材而生，本身是无法直接取代涂料或合金等原本的功能。我常会形容石墨烯像是「天山雪莲」，可以立马增加你一甲子功力，只不过你也得跟著体质来服用，并不是谁都可以服用的！至于有些学者一直说石墨烯现在只能做些接地气技术，并没有出现高大上的技术，其实这对石墨烯是很不公平的。难道只有半导体算是高大上，武直-10/19 披挂了附加石墨烯防弹装甲就不算高大上了吗？这些不接地气的学者，就是没有亲自到现场去了解过，所以一直重复闹笑话而不自觉。

我国的航空动力一直大大落后于西方欧美发达国家。作为直-10 的国产动力涡轴-9 发动机，虽然满足了我国武直动力不受制于人的要求，但其最大功率只有 1,000-1,100千瓦，与其原型机装备的加拿大普惠公司生产的（原为美国普惠分公司，后自立门户）PT-6B 涡轴发动机相比，功率足足小了 400 千瓦左右，导致设计单位在设计后期不得不对机体大幅减重。因此与国外的武装直升机相比，我军服役的武直很少有披挂附加装甲的照片流出。根据中航装甲科技其发布的产品公开资料称，其制备的防弹装甲板密度低于 2.8 克/立方厘米，仅是防弹钢板密度的 30%，防弹钛合金板的 56%，经过多次实际打靶测试，其防弹效果和抗多次打击能力明显优于同等厚度的防弹钛合金板。也优于同等厚度的防弹钢板，能有效抵御 100 米外初速为 900 米/秒的 12.7 毫米钨合金穿甲弹。而石墨烯含量仅为 1% 左右，其余均为价格便宜的铝合金和碳化硅材料，与航空铝合金相比，仅仅增重3%。因此，在武直-10，武直-19 使用了石墨烯复合防弹材料来替换原来的钛合金防弹装甲材料后，飞机机体实现了大幅减重。假设原武直-10 钛合金防弹装甲和俄罗斯米-28 钛合金装甲重量一样，同为 350 千克，现仅需 196 千克，减重达 154 千克，完全可以将空出来的重量用来披挂石墨烯附加装甲，近一步提高防弹能力。同样的，石墨烯复合防弹材料更可利用再猛是高机动车辆上，作为理想的防护材料。

也来谈谈一般民用航空器吧！航空材料是制造飞机 (包括飞行器)、航空发动机及其附件、仪表及随机设备等所用材料的总称，通常包括金属材料 (结构钢、不锈钢、高温合金、有色金属及合金等)、有机高分子材料 (橡胶、塑料、透明材料、涂料等)和复合材料。以 C919 飞机产业链为例包括：发动机、机电、电子、整机生产及零部件测试五大系统，其中，涉及的材料主要有铝/铝锂合金 (20%)、钢 (7%)、钛 (14%)、复合材料 (52%) 及其它 (7%)。目前，针对第三代航空产品所需关键材料，如热强钛合金、高强铝合金、超高强度结构钢不锈钢、树脂基复合材料、单晶与粉末高温合金等，从技术上看，已具备试用条件，但要转化为在特定工况下使用的零部件，并体现出第三代航空产品的总体效能 (技术与战术性能、使用可靠性与寿命以及经济效益等) 尚需做大量的工作。我国航空材料的现状与新一代航空产品 (飞机以 F -22 为代表，发动机推重比 10 为代表) 对材料的需求之间尚存在较大的差距，主要有：前沿材料研究滞后，新材料储备小，第三代、第四代航空产品所需的一些关键材料，如快速凝固材料、高强轻质结构材料、热强钛合金、超高强度钢、金属问化合物及以其为基的复合材料、树脂基复合材料等的研究滞后，与国外先进新材料研制水平的差距约为 15-20 年；新材料研制、生产和应用研究的基础条件较差，如超纯熔炼、高温整体扩散连接、喷射成型、等温锻造、电子束沉积涂层、纳米材料制备、超高温检测、超声显微镜、激光无损检测等先进的合成与加工设备、质量检测与控制手段等不能满足新材料研制、生产与应用的需要。

看来想来个弯道超车，还是得靠石墨烯来成就大业，接下来，我们就来谈谈石墨烯在航空航天领域有哪些应用？

石墨烯在航空领域的进展

韩国：利用在含铜和镍的复合材料中使用石墨烯，发现了金属-石墨烯纳米层复合材料中单原子层石墨烯具有强化效应。

英国：加的夫大学工程学院在碳纤维树脂基复合材料中加入石墨烯纳米薄片（GNP）/碳纳米管（CNT），用以提高碳纤维的增强能力。

美国：麻省理工的研究团队研究发现，将石墨烯纸揉皱成一团，可以制备的超级电容器。

中国：通过开发石墨烯上浆剂，将石墨烯引入碳纤维复合材料界面层，抑制界面层中裂纹的萌生，从而可大幅提高碳纤维复合材料的强度和韧性，扩大其应用范围。当铝基复合材料中加入 10% 以上石墨烯时，石墨烯铝基复合材料可制备具有轻质、高模量、高强度的高性能结构材料，广泛用于直升机桨毂以及目前铝基复合材料研发所瞄准的各类飞机结构。

在红外隐身伪装涂料中的应用

2013 年 7 月，加州大学的研究人员开发出称之为 Reflectin A1 (RfA1) 的伪装涂料，它通过在石墨烯模板上制备仿生伪装涂层，可实现器件的红外隐身。科研人员利用 Reflectin 蛋白质制备薄膜，其反射率可动态调整的范围超过 600nm，当存在外部刺激时，甚至达到 700-1200nm。Reflectin 的可调光性能可与人造高分子材料媲美。这些涂层的特性包括：通过薄膜可以改变反射光的波长，被激活时将以不同的路径反射红外光；可通过改变湿度或施加乙酸蒸气来实现开关，改变光的反射路径；这种涂层可以在夜间湿度提高时处于「打开」状态，或通过释放一种化学信号以实现与背景兼容。例如在玻璃基板上沉积 5-10nm 厚的氧化石墨烯薄膜，然后将 RfA1 涂层覆于其上，这些薄膜将呈现出鲜明的颜色，而且颜色随薄膜的厚度而变化，例如 125nm 厚的薄膜是蓝色，207nm 厚的薄膜呈橘红色。这种新涂层可以大面积涂敷于的表面结构，从而迈出开发与环境兼容的、可自主调节的、用于军事伪装材料的第一步。

在雷达微波隐身方面，石墨烯也具有很强的发展潜力，一系列以单质或复合材料形式存在的碳纳米材料（碳纳米管、石墨烯等）在降低雷达反射面方面表现出极好特性。印度国防研究与发展组织（DRDO）开发了用于雷达的微波吸波涂层以及用于地面装备、航空航天和海军武器的功能性纳米材料/纳米复合材料，以实现上述武器装备的隐身、轻量化及高强度等特性。另外，来自韩国的研究人员报道了一种由石墨烯/凯芙拉（Kevlar）/环氧复合材料的雷达吸波结构的制造方式。该复合材料含有 9% 石墨烯，验证结果显示，在 2.5mm 厚度时，在 12-18GHz 频率范围内的反射信号可衰减 10dB 以上。

在航天热电材料中的应用

目前国内已开展通过添加石墨烯来提高复合材料热点转换效率的研究。刘雅梅用湿化学法合成石墨烯 Bi2Te3 纳米复合粉体，并通过静电吸附、烧结制备的块体纳米复合热电材料在 400K 时 ZTmax=0.73，表明石墨烯复合材料热电性能优良。在深空探测活动中，利用热电材料直接将放射性同位素衰变热转换成电的能源供应方式将是深空探测器的首选，且已被成功应用于美国宇航局发射的「旅行者一号」和「伽利略火星探测器」等宇航器上。

在航天气体感测器中的应用

目前石墨烯已经用于航天感测器方面，石墨烯具有大的比表面积、高的电子迁移率和易掺杂性的特点，这一特点决定了其作为感测器敏感材料更具有极大的应用潜力。石墨烯的平面结构导致它的碳原子极易吸附气体分子，被吸附的气体分子则充当了电子的予体或受体，从而改变了石墨烯的电阻值，而且即便只有单个气体分子被吸附时，都可以通过石墨烯的电子传输速率和电阻值的变化产生相应的电信号被检测到，这使得石墨烯对所处气体环境极其敏感，此外石墨烯与不同成分气体的作用效果也不同，可以利用石墨烯这些特点，来研发用于检测低轨空间环境气体成分及其变化的感测器，如测量原子氧浓度的气体感测器。

在特殊功能材料的应用

除隐身材料外，石墨烯还非常适于制作其他各类特种功能材料，如用于制作轻量化电子显示器、轻而薄的机上娱乐系统，并替代混乱的机内布线等。石墨烯树脂涂层可用于隔热、飞机雷击、防腐、雨蚀、冰雹及沙暴侵蚀的防护等，且可将其剪裁成具有不同特性的多功能涂层。例如为克服由机内布线除冰导致的增重及环境污染，2013 年，瑞典萨伯公司用 0.77mg 的石墨烯薄膜材料混入树脂中，将其涂覆于机体及零件表面，然后通电流加热，以达到除冰目的。

最后，来谈谈电磁兼容与石墨烯的关连性吧！传统吸波材料 (铁氧体、石墨、陶瓷类材料等) 的主要缺点是密度大、吸收频带窄等，因而不能满足吸波材料「薄、轻、宽、强」的要求。新型的吸波材料主要有石墨烯、纳米材料、多晶铁纤维、导电高聚物等，其中石墨烯纳米材料与导电高聚物已经成为电磁领域的研究热点。目前石墨烯在电磁屏蔽及吸波材料中的应用研究可以分为二大类：一是石墨烯-金属复合材料，二是石墨烯-聚合物复合材料。俞书宏等采用水热法以三乙醯丙酮铁做铁源，在氩气保护下制备出 Fe3O4/rGO 复合材料，该材料具有较好的磁性。付永胜等以水/溶剂热法合成 MnFe2O4/石墨烯磁性复合材料，研究发现该材料不仅具有良好的磁性，且由于石墨烯的空导带隙特性，还可以作为光催化剂的载体，在可见光区域具有良好的催化活性。黄琪惠等由羰基铁热分解法原位制备多层石墨烯/Fe/Fe3O4 纳米复合材料。在石墨烯片层上附著了 Fe/Fe3O4 球型颗粒，其尺寸小于 50nm。以金属为衬底，当复合材料厚度为 1.5mm 时，在 10-16GHz 范围内反射损耗在 -10dB 以下，当厚度为 3mm 时，材料的反射损耗最大为 -25dB。

看完了三篇有关制造 2025 跟石墨烯的关联性，可以验证我过去常提到的一段话：石墨烯是一群先进材料的集合体，必须根据需求来制备客制化石墨烯，找到匹配的石墨烯就可以大幅提升产品的性能。别急，让我们继续看下去！

Ref.:

宫非：接地气系列G之廿八：吸波材料也来顺便做一做吧?

zhuanlan.zhihu.com宫非：接地气系列G之廿七：要做好电磁屏蔽材料真的很难?

zhuanlan.zhihu.com
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