鉅大LARGE | 點擊量：350次 | 2023年10月13日
我國突破石墨烯技術 有望秒充電池造超級裝甲
網(wǎng)易特種訊（仝賀）石墨烯是只有一個原子厚度的二維晶體，它既是最薄的材料，也是最強韌的材料。可秒速為手機滿電，制成使霧霾無法穿透的防護口罩，還可制造比鋼鐵還強韌的裝甲，被視為革命性材料的石墨烯已經逐漸被帶入現(xiàn)實。中國不僅在石墨烯科研上走在世界前列，特種更希望將之產業(yè)化。特種展示的圖片顯示，在特種方面，石墨烯可用于裝甲防護、特種發(fā)動機和超高聲速飛行器。
11月27日，特種石墨烯科技發(fā)展與產業(yè)規(guī)劃發(fā)布暨簽約儀式在北京舉行。未來幾年，特種將著力打造系列化石墨烯產業(yè)集群，形成完整的石墨烯產業(yè)鏈，重點開展石墨烯應用基礎研究，新技術探索和新領域開拓。儀式上，特種與合作伙伴共同簽署中航石墨烯科技發(fā)展有限公司投資協(xié)議、特種首個石墨烯控股產業(yè)化項目——中航防護科技有限公司的投資協(xié)議以及系列石墨烯研發(fā)及產業(yè)化合作協(xié)議。特種董事長、黨組書記林左鳴出席儀式并致辭。未來幾年，特種將著力打造系列化石墨烯產業(yè)集群，形成完整的石墨烯產業(yè)鏈，重點開展石墨烯應用基礎研究，新技術探索和新領域開拓。
碳——“神奇”的元素
碳是地球上最普遍也是最奇妙的一種元素，它可以形成世界上最硬的金剛石，也可以形成最軟的石墨，它的“神奇”特性正是源自于多個碳原子可以形成多種多樣的排列，這些不同的排列被稱為同素異形體。而在微觀上看似簡單的原子排列差異卻能在宏觀上帶來巨大的材料性能差別。近30年來，碳納米材料一直是科技創(chuàng)新的前沿領域，1985年發(fā)現(xiàn)的富勒烯和1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管均引起了巨大的研究熱潮。上圖展示的正是碳的幾種同素異形體，它們分別是石墨烯、石墨、碳納米管和富勒烯。
曾被認為只存在理論，不存在于現(xiàn)實
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
石墨烯是一種由碳原子組成的六角型蜂巢結構平面薄膜，是目前在自然界已知唯一只有一個原子厚度的二維材料。在之前石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩(wěn)定存在，改變發(fā)生在2004年。2004年，英國曼徹斯特大學的兩位俄裔物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地從石墨中分離出石墨烯，證明了這一結構完全可以穩(wěn)定存在。兩人也因為“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。2004年的研究成果在2010年就獲得了諾貝爾獎，在諾獎中堪稱“神速”，這表明了科學界對石墨烯的關注和認可。
事實證明，石墨烯理應得到關注，因為科學家們很快就發(fā)現(xiàn)，石墨烯是目前世界上已知的最薄且又最堅硬的納米材料。石墨烯幾乎完全透明，只吸收2.3%的光。但又非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。而接下來的實驗結果更是讓科學家“瞠目結舌”，多次實驗證明，石墨烯不但最薄最硬，而且是已知自然界導熱率最高的材料，同時也是電阻最低的材料，此外，它還有如常溫下發(fā)生量子霍爾效應等其他特性?？芍^性能“恐怖”的超級材料。
當實驗逐漸揭露出石墨烯的罕見特性時，各國立即意識到它可能帶來的巨大價值并紛紛投入巨資展開研究。人們普遍認為石墨烯將取代多晶硅等眾多傳統(tǒng)材料成為“材料之王”。
石墨烯已經批量生產應用
由于石墨烯直至2004年才被發(fā)現(xiàn)，此時中國已經具備了較完善的科研體系，所以國內的各大科研院所立即展開了相關課題的研究。特種作為中國航天領域的龍頭企業(yè)，也立即在航材院成立了石墨烯研發(fā)團隊并迅速發(fā)展為大型實驗室，專攻石墨烯的制備方法和在各領域應用的技術課題。在此次發(fā)布會上，特種航材院王旭東博士介紹了特種石墨烯基礎研究和應用研究進展，特種在掌握高性能、低成本石墨烯納米片和石墨烯薄膜制備技術的基礎上，同時致力于開展石墨烯應用研究和工程技術開發(fā)，推動石墨烯在特種航天、能源、電子和生物等領域應用，已在石墨烯納米片批量化制備、功能化石墨烯、石墨烯宏觀體制備、大尺寸石墨烯薄膜批量化制備、石墨烯增強金屬結構材料、石墨烯儲能材料、石墨烯電子封裝材料、石墨烯電線電纜材料、石墨烯環(huán)境凈化材料、石墨烯涂料、石墨烯改性非金屬材料、石墨烯信息材料等領域取得了諸多獨創(chuàng)性的成果。下面通過會場的展板進行重點介紹。
石墨烯在特種科技領域的應用
由于石墨烯是已知的最薄且又最堅硬的納米材料。所以通過復雜方法添加到傳統(tǒng)防彈材料中，可大幅增強防彈性能同時減輕防護材料的重量。應用前景廣闊。
從展板中可以看到，將石墨烯應用到裝甲材料中，使材料的密度和體積都有顯著下降，防護能力則反而有所增強。現(xiàn)場技術人員介紹，目前含有石墨烯的裝甲材料已經應用到一些新的特種裝備中，只是由于涉密原因不能具體透露。
由于可以通過不同合成方法調節(jié)石墨烯裝甲的防護能力，使得石墨烯防護材料不僅可用于特種領域，也可拓展至特種和民用領域，比如特種頭盔，防爆車輛和民用防護裝備，實現(xiàn)特種民品協(xié)同發(fā)展。
石墨烯在特種航天領域的應用
石墨烯是已知自然界導熱率最高的材料，這就使它擁有了極好的散熱性能，其中一塊展板就介紹了在高速飛行器中石墨烯的重要作用，不過可能是保密原因，展板的圖片均采用的是美國目前試驗中的高超音速飛行器照片。
通過石墨烯既輕薄又堅韌的特性對傳統(tǒng)合金進行改進，可使特種發(fā)動機渦輪減輕重量同時增強增韌并延長使用壽命，可見對于我國飛機長期以來的“心臟病”也就是發(fā)動機問題，“神奇”的石墨烯同樣可以幫到大忙?，F(xiàn)場的科研人員介紹稱這項研究是中國首先展開的，由此也可見國內各專業(yè)的科學家們對于國產發(fā)動機所作出的努力。
石墨烯在其它領域的應用
石墨烯的應用范圍極大，絕不僅僅限于最尖端特種特種領域。下面就簡述一些會議中透露的應用方向。
一、可對傳統(tǒng)電池進行改性，利用石墨烯電子遷移速度極高電阻極低的特性，使電池充電時間大幅縮短并且大幅提升電池充放電壽命。
二、可對傳統(tǒng)涂料進行改性，使得被噴涂金屬防腐能力較傳統(tǒng)涂料提升數(shù)倍。
三、利用非常致密，即使是最小的氣體原子也無法穿透的特性，對傳統(tǒng)的過濾材料進行改性，可制作出強吸附材料和強過濾材料，如特種航材院研制出的防霧霾口罩，過濾能力遠高于現(xiàn)有產品且重復過濾能力大大增強。
四、通過石墨烯超常規(guī)的電學性能和力學性能對鋁導線進行改性，提升了鋁導線的導電率和使用壽命，有助于中國加快建設鋁導線電網(wǎng)以替代成本高，質量重，較稀有的銅特種線。
五、由于石墨烯為碳的單體且具有規(guī)整的排列方式，使其原子核外電子形成特殊的能帶結構，導致它具有神奇的減小摩擦力的作用，可對潤滑劑進行改性，增強潤滑性能和使用壽命。
其實石墨烯可應用的領域還有很多很多，而且大家從上述介紹中就可看出，石墨烯真可謂是“神奇”的材料“藥水”，把它添加到任何傳統(tǒng)材料中，似乎都能使他們迸發(fā)出新的“魔力”。
絕不能再“起個大早，趕個晚集”
在發(fā)布會上和之后的媒體采訪中，特種董事長、黨組書記林左鳴多次強調，新一輪科技革命和產業(yè)變革蓄勢待發(fā)，其突破口一定是在材料領域。我們必須抓住材料科學創(chuàng)新這個新一輪科技革命的導火索。以石墨烯為代表的材料技術讓我們與世界站在了同一起跑線上，并已經取得了很多技術突破。但我們必須吸取曾經的教訓，這個教訓就是雖然中國有過在某些領域首先實現(xiàn)突破，但常常思維僵化，沒能快速將科研成果實用化、產業(yè)化，最后讓外國人搶了先機，獲得了最大回報。所以我們絕不能再“起個大早，趕個晚集”，石墨烯作為一種有可能顛覆未來發(fā)展的戰(zhàn)略性新興材料，發(fā)展正當其時。我們一定要以石墨烯技術為契機，實現(xiàn)科技創(chuàng)新的“彎道超車”。
確實，曾經的中國由于種種原因已經落后世界太多了，從某種意義上說屬于經驗積累科學的材料科學與世界先進水平的差距更是巨大，而新生事物石墨烯確實是中國在材料領域實現(xiàn)“彎道超車”的絕佳機會。目前中國已經具備了較完善的科研體系和較強的資本積累，學習西方先進的科研轉化經驗勢在必行。讓我們自己的資本力量成為科研成果轉化的“催化劑”，使高大上的科學理論和試驗成果快速轉化為在市場上具有競爭力的產品。這正是此次特種石墨烯科技發(fā)展與產業(yè)規(guī)劃發(fā)布暨簽約儀式所做的。未來特種將以中航石墨烯科技發(fā)展有限公司為核心研發(fā)平臺和成果輸出源，通過科研成果授權經營、科研成果作價入股、提供有償技術服務、按銷售提成等多種利益分配模式，合理獲得創(chuàng)新主體的利益回報。并在成果具備產業(yè)化條件時，在特種內外引入戰(zhàn)略合作伙伴，成立產業(yè)公司。預計未來兩年，特種將有近10個石墨烯項目進行產業(yè)化。石墨烯作為高端前沿學科，研發(fā)投入很大，此次中航與投資公司的簽約規(guī)模都在百億以上，未來可能要達到千億。數(shù)額看似巨大，但只要一些項目最終轉化為在世界上具有競爭力的產品帶來的收益可能就是萬億級并能帶動國家整個相關學科的發(fā)展。只有將金錢投資在這種真正的創(chuàng)新科學并轉化為產品，中國的未來才能有更大發(fā)展。
再說一些與特種航材院王旭東博士交流時的收獲。王博士很年輕，非常樂于與媒體交流目前特種在石墨烯領域的研發(fā)成果。對于發(fā)動機這個堪稱中國特種工業(yè)的老大難問題，各個媒體都十分關注，紛紛向王博士詢問石墨烯能對中國的國產發(fā)動機帶來什么幫助，王博士的回答有點讓人吃驚，他說目前中國在很多發(fā)動機用材料上是領先世界的，而且目前已經在我們自己的發(fā)動機上有所應用，但我們的材料在整合上常常出現(xiàn)問題，導致發(fā)動機依然落后，他說他一定會運用所掌握的石墨烯知識幫助改進國產發(fā)動機，也說由于保密原因很多成果也無法展示。當記者問到中國發(fā)展石墨烯有何優(yōu)勢時，王博士說，中國有大量石墨礦藏也有大批從事相關研究的科研團隊。單說目前中航自己的航材院就已經突破了新的石墨烯制備技術，使石墨烯制造成本有較大下降，雖然價格無法透露但也絕不是當年的“黑色黃金”了。有了制備的基礎也是中國更容易展開石墨烯的各項應用研究。有媒體詢問石墨烯研發(fā)投入那么大，是否會入不敷出時，王博士堅定的回答肯定不會，因為石墨烯應用的方面太廣了，而且目前已經體現(xiàn)出價值并得到了應用。他又介紹了石墨烯的一些應用，其中的石墨烯電池和芯片讓小編印象非常深刻，他說目前除了用石墨烯改性現(xiàn)有的電池如鋰電池外，最前沿的是正在研發(fā)的第三代石墨烯電池技術也就是純石墨烯電池，它的性能竟然可以達到每克電池核心儲存超過1500毫安的電量并能以遠快于現(xiàn)有電池的速度充電。這不正是電動汽車一直在等待的突破技術嗎。而石墨烯芯片則是在原子層面布置電路，圍觀等級遠低于現(xiàn)在常見的納米級芯片，如果實現(xiàn)將制造出功耗極低，性能極強，發(fā)熱則幾乎可以忽略不計的超級芯片，到那時人們掌上的手機真不知會具有何等恐怖的性能。怪不得有人斷言，如果說20世紀是單晶硅的世紀，那么21世紀就是石墨烯的世紀。當然，這些產品不會很快來到人們面前，他任然需要像王博士這樣的科學家們夜以繼日的公關，但我相信有朝一日它們一定會來到我們面前。
今年10月23日，國家主席習近平在訪問英國期間訪問參觀了曼徹斯特大學國家石墨烯研究院，這正是發(fā)現(xiàn)石墨烯的地方，在這里中英雙方確定將在石墨烯領域展開合作研究。中國是石墨大國，目前也具有大量參與石墨烯研究的團隊和企業(yè)，小編真切希望中國可以抓住這次機遇，開發(fā)生產出世界最好的石墨烯產品，實現(xiàn)真正的“彎道超車”。
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