石墨烯是不是最硬的材料？

很多報告說石墨烯的強度比鋼鐵高XX倍，在這裡先不說強度的問題了，雖然石墨烯的二維材料的強度完全是化學鍵，與三維宏觀的鋼鐵材料不可以直接比，但是至少這還算是有個理論依據，只是外推的方法不科學。
說純石墨烯導電好，這個我也沒什麼意見。然而有很多人說，石墨烯是最硬的材料，這個我就不懂了。最硬的材料不是金剛石麼？還是那個新材料C3N4?和石墨烯有關係麼？

以下是硬度的定義，摘自維基百科。
在材料科學中，硬度指「固體材料抗拒永久形變的特性」。材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較各種材料軟硬的指標。Hardness is a measure of how resistant solidmatter is to various kinds of permanent shape change when a compressive force is applied.單層石墨烯就一層原子，說硬度這個指標真的有意義麼？如果是多層的微片的話，給我留的印象也只是像石墨一樣軟不拉機的玩意，真的可以說最硬？我以前是學陶瓷的，反正我覺得這個說法有些問題，但是又不太肯定，希望聽聽大家的討論意見。

2018-10-27

π 鍵在化學上是「共價鍵」的一種，當兩個電子軌域的突出部分發生重疊時產生，屬於「強化學鍵」，是價電子與原子核之間的靜電力，鍵能在 150-400KJ/mol。而範德華力是分子間的靜電力，屬於「弱化學鍵」，鍵能在 0.4-4.0KJ/mol，兩種不是同一種結構。更具象地說，層間是範德華力，而層內是碳碳鍵，採用 雜化，形成遍及整個平面的大 π 鍵。

這正可以說明石墨的「軟」是層間的範德華力弱所導致，而石墨烯的「硬」是層內 C-C 共價鍵採用 雜化導致。

註：層內 C-C 間距是 0.142nm，層間 C-C 間距是 0.340nm。

2018-06-12

硬度不是一個簡單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。從技術上講，硬度指的是「壓痕硬度」，即將尖銳的凹入壓入材料表面所需的載荷。通常情況下，塊狀材料比獨立式薄膜或二維材料（如石墨烯）硬得多，但如果將石墨烯與其他類似厚度的材料薄膜進行比較（如果獨立式薄膜結構穩定），那麼石墨烯的硬度測試毫無疑問是最硬的。這是因為穿透石墨烯的唯一途徑是破壞離域的、高度穩定的 C-C 鍵，但石墨烯的硬度是低於塊狀的高強度材料，如鑽石。

這麼說好了，石墨最軟是指他的宏觀表象，由於石墨層間是靠範德華力維繫的，在外力作用下層與層容易相對滑移，給人「軟」的假象。但在垂直於平面方向，石墨同樣硬得驚人，甚至可以損壞金剛石工具，石墨烯就是剝離為單片的石墨層，硬度並沒發生變化。更何況，石墨烯在大自然下是不可能毫無缺陷的，在特殊環境下測出的數據在現實面是不可能實踐的。

2018-06-10

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

石墨烯斷裂強度比最好的鋼材還要高 100 倍，同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的 20%。其實，這裡涉及兩個不同的概念，一個是「強度」，這是力學概念，一個是「硬度」，屬於物理概念。石墨烯的「硬」，是指強度高，衡量強度的指標是「楊氏模量」，根據楊氏模量的高低可以把物質分為硬物質和軟物質。石墨烯的模量非常高，可達 1Tpa，是材料裏最高的，所以石墨烯是硬物質，可以說是很硬。相應的像橡膠這些，模量只有幾千帕，就是軟物質，很軟。

材料力學上有剛度、強度、韌度、硬度等不同物理概念，這與我們通常講的硬與軟有區別。從通俗意義上說，石墨烯的「硬」指的是石墨烯的強度很好，就是它抗斷裂的能力很強，這也和它的韌性很好有關係，因為容易延展而不斷裂，模量就是代表了材料能被拉伸的容易程度。

其次，石墨烯不可能單獨存在，必須以復材方式作成產品，而石墨烯復材硬度也沒有比較大，我看到的都是「韌性」或「強度」有增加。事實上，是石墨烯面內的拉伸強度比較大而已，這個還是算出來的，好像沒有什麼實驗驗證，因為製取大片石墨烯分離出來是很難的。再者，這個硬度必須考慮作用力的方向，有人說石墨烯強度比鑽石大的話，那應該是指兩碳原子之間鍵的強度，石墨烯是二維六角網格狀，鍵強度比在三維網格中的要強。但考慮到大塊材料的話，鑽石各個方向上強度都較高，而石墨烯在第三個維度就是渣渣了，石墨烯受到剪切力的時候非常脆弱，一碰就碎。我們用生物破碎設備可以把石墨烯從 200 微米震成 200 納米，我就不相信可以把鑽石震碎就是這個道理。實際上，比較一種二維材料和一種三維材料的相對硬度都是沒有多大意義的。