石墨烯是不是最硬的材料？

很多报告说石墨烯的强度比钢铁高XX倍，在这里先不说强度的问题了，虽然石墨烯的二维材料的强度完全是化学键，与三维宏观的钢铁材料不可以直接比，但是至少这还算是有个理论依据，只是外推的方法不科学。
说纯石墨烯导电好，这个我也没什么意见。然而有很多人说，石墨烯是最硬的材料，这个我就不懂了。最硬的材料不是金刚石么？还是那个新材料C3N4?和石墨烯有关系么？

以下是硬度的定义，摘自维基百科。
在材料科学中，硬度指「固体材料抗拒永久形变的特性」。材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。Hardness is a measure of how resistant solidmatter is to various kinds of permanent shape change when a compressive force is applied.单层石墨烯就一层原子，说硬度这个指标真的有意义么？如果是多层的微片的话，给我留的印象也只是像石墨一样软不拉机的玩意，真的可以说最硬？我以前是学陶瓷的，反正我觉得这个说法有些问题，但是又不太肯定，希望听听大家的讨论意见。

2018-10-27

π 键在化学上是「共价键」的一种，当两个电子轨域的突出部分发生重叠时产生，属于「强化学键」，是价电子与原子核之间的静电力，键能在 150-400KJ/mol。而范德华力是分子间的静电力，属于「弱化学键」，键能在 0.4-4.0KJ/mol，两种不是同一种结构。更具象地说，层间是范德华力，而层内是碳碳键，采用 杂化，形成遍及整个平面的大 π 键。

这正可以说明石墨的「软」是层间的范德华力弱所导致，而石墨烯的「硬」是层内 C-C 共价键采用 杂化导致。

注：层内 C-C 间距是 0.142nm，层间 C-C 间距是 0.340nm。

2018-06-12

硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。从技术上讲，硬度指的是「压痕硬度」，即将尖锐的凹入压入材料表面所需的载荷。通常情况下，块状材料比独立式薄膜或二维材料（如石墨烯）硬得多，但如果将石墨烯与其他类似厚度的材料薄膜进行比较（如果独立式薄膜结构稳定），那么石墨烯的硬度测试毫无疑问是最硬的。这是因为穿透石墨烯的唯一途径是破坏离域的、高度稳定的 C-C 键，但石墨烯的硬度是低于块状的高强度材料，如钻石。

这么说好了，石墨最软是指他的宏观表象，由于石墨层间是靠范德华力维系的，在外力作用下层与层容易相对滑移，给人「软」的假象。但在垂直于平面方向，石墨同样硬得惊人，甚至可以损坏金刚石工具，石墨烯就是剥离为单片的石墨层，硬度并没发生变化。更何况，石墨烯在大自然下是不可能毫无缺陷的，在特殊环境下测出的数据在现实面是不可能实践的。

2018-06-10

是的！但石墨烯的「硬」不等于硬度大，而是指「强度」大。石墨烯硬度不大，但延展性很好！

石墨烯断裂强度比最好的钢材还要高 100 倍，同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的 20%。其实，这里涉及两个不同的概念，一个是「强度」，这是力学概念，一个是「硬度」，属于物理概念。石墨烯的「硬」，是指强度高，衡量强度的指标是「杨氏模量」，根据杨氏模量的高低可以把物质分为硬物质和软物质。石墨烯的模量非常高，可达 1Tpa，是材料里最高的，所以石墨烯是硬物质，可以说是很硬。相应的像橡胶这些，模量只有几千帕，就是软物质，很软。

材料力学上有刚度、强度、韧度、硬度等不同物理概念，这与我们通常讲的硬与软有区别。从通俗意义上说，石墨烯的「硬」指的是石墨烯的强度很好，就是它抗断裂的能力很强，这也和它的韧性很好有关系，因为容易延展而不断裂，模量就是代表了材料能被拉伸的容易程度。

其次，石墨烯不可能单独存在，必须以复材方式作成产品，而石墨烯复材硬度也没有比较大，我看到的都是「韧性」或「强度」有增加。事实上，是石墨烯面内的拉伸强度比较大而已，这个还是算出来的，好像没有什么实验验证，因为制取大片石墨烯分离出来是很难的。再者，这个硬度必须考虑作用力的方向，有人说石墨烯强度比钻石大的话，那应该是指两碳原子之间键的强度，石墨烯是二维六角网格状，键强度比在三维网格中的要强。但考虑到大块材料的话，钻石各个方向上强度都较高，而石墨烯在第三个维度就是渣渣了，石墨烯受到剪切力的时候非常脆弱，一碰就碎。我们用生物破碎设备可以把石墨烯从 200 微米震成 200 纳米，我就不相信可以把钻石震碎就是这个道理。实际上，比较一种二维材料和一种三维材料的相对硬度都是没有多大意义的。