石墨烯用于惯性器件轻质功能结构的探讨

严小军，董蓉桦，陈效真，武高辉，王亚军

（1.北京航天控制仪器研究所，北京100039；2.哈尔滨工业大学，哈尔滨150001；3.中国航发北京航空材料研究院，北京100095）

石墨烯用于惯性器件轻质功能结构的探讨

严小军1，董蓉桦1，陈效真1，武高辉2，王亚军3

（1.北京航天控制仪器研究所，北京100039；2.哈尔滨工业大学，哈尔滨150001；3.中国航发北京航空材料研究院，北京100095）

石墨烯（Graphene）在2004年被首次发现，2010年两位英国科学家因此获得诺贝尔奖。石墨烯技术研究被世界各国提升至战略高度，成为最热门研究领域之一，在锂离子电池、传感器、功能涂料、复合材料等领域不断取得丰硕成果。针对惯性技术轻质功能结构件的应用需求，通过对石墨烯材料技术特征和国内外应用现状进行梳理，结合惯性行业特点，对石墨烯作为惯性器件轻质功能结构材料的应用发展进行了探讨。

石墨烯；惯性器件；复合材料；轻质；功能材料

0 引言

陶石器、青铜器、铁质冷兵器、硅微电子，碳的无人自主智能时代，农耕时代的黄色文明、工业时代的黑色文明到互联网时代的深蓝色文明，材料历经亘古，记载和标志着人类的进步，一直是社会进步物质基础和人类文明主要标志，更是科学技术发展进步核心。人类社会跨越的每一步都离不开新兴材料科学进步。材料研究水平和产业规模已成为衡量经济发展、科技进步和国防实力的重要标志，是21世纪社会发展、科学进步的三大支柱之一。

同样，“系统精度在仪表，仪表精度在元件，元件精度在材料”“一代材料，一代仪表”。惯性技术作为一项多学科交叉、多技术结晶，也和材料发展有着密切的关系。

近年来，国防高技术发展迅猛，推动了战略新常态和太空经济新趋势，也促成了多维跨域立体交叉高端冲突、无人智能多信息协同和多模式能量对抗的新型战争模式特点。空间探测、空间竞争、空间安全的升温，对未来武器装备形成新的期望。没有自主导航控制，就不可能创生战略新常态，自主导航控制、精确打击就是新一代颠覆性技术。

自主精确惯导装备是武器装备信息化，精确可靠、机动快速、有效杀伤的核心敏感源，只有实现高精度、高可靠、轻质小型、低成本才能使智能自主、协同精准、机动突防、可靠生存和战略威慑、战役防御精确打击成为可能。它是 “武器装备信息化、信息装备武器化、信息系统一体化、作战体系协同化、基础设施实用化”的核心高技术。

从20世纪50年代至今，由于采用特种铍材和多元复合材料的应用，相比于原来的技术参数，惯性陀螺角动量减小至1/140、体积缩小至1/130、质量减轻为1/16、干扰力矩下降为近1/3000、精度提高近150倍左右、漂移误差下降至1/200；惯性加速度计角动量减小为 1/210、摆性减小为1/500、体积缩小为 1/800、质量减轻为 1/130、相对误差下降为1/100。但是，距离需求始终存在较大差距。石墨烯技术的兴起无疑为惯性器件的进一步发展提供了新的契机，受到惯性技术领域的特别重视和关注。

1 石墨烯发展现状与趋势

纳米材料是新时代最有活力的材料，而在众多纳米材料之中，石墨烯及其复合材料展现出了超高的强度、优异热导率、电导率、透光率和柔性轻质等特性。其力学、热学、电学、磁学、光学、声学和耐蚀性能等正在能源、环境、生物、电子、网络技术以及航空航天和汽车工业等领域显现出深远广阔影响［1］。

1.1 石墨烯基本性能

如图1所示，石墨烯是一个由碳原子以SP2杂化紧密堆积成六角形蜂窝晶格，只有一层原子厚度的二维开放平面晶体材料，是目前自然界最薄、强度最高，同时具有十分优异光电、导热、耐磨、耐腐蚀等性能的新材料［2］，石墨烯的结构参数如表 1 所示［3］。

图1 石墨烯的透射照片Fig.1 Transmission electron micrographs of Graphene

表1 石墨烯结构材料的性能Table 1 Properties of Graphene

可见，石墨烯具有超高理论比表面积（2630m2/g）、高本征迁移率（200000cm2/V/s）、高杨氏模量（～1TPa）、高透光率（－5000W/m/K）和理论电导率（2630）等特点，在能量存储、透明电极、轻质功能结构等方面有着极大的应用潜力。

1.2 石墨烯发展现状与趋势

石墨烯研究可追溯到大约150年前，人们为了解释某些实验现象，将单层石墨作为最小的层状基本理论单元抽离出来命名为石墨酸，此概念并非真实存在。直到2004年，英国曼彻斯特大学（Universityof Manchester）物理学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）（2010年获诺贝尔奖）采用微机械剥离方法成功从高取向石墨中首次分离出了二维石墨烯晶体［4］，这才发现了这一性能优越的新型二维碳纳米材料，并纠正了二维晶体室温下不能稳定存在的错误认识。

目前，石墨烯研究如火如荼，单层、寡层、多层、薄膜、纳米片（nanosheet）、纳米带（nanoribbon）、纳米圆盘（nanodisc）以及石墨烯粉体，应用成果不断涌现。有11种（电子产品、功能纺织品、增强轮胎、摩擦散热材料、轻质结构材料、防腐涂料、热变色玻璃、污染物检测器和传感器、电池、太阳能电池板）产品已经和即将应用于航空、汽车、机器人行业，如图2所示。石墨烯产业在我国也欣欣向荣，诸多储能器件及其应用获得较大突破，在中央处理器和芯片等核心电子元件的应用研究取得进展，相应石墨烯价格持续回落、商业定制化产品需求日见增多、供应商专业化渐成主流、行业国家标准即将出台。并且，对石墨烯三维大面积生长、微观力学、化学修饰及制备新型材料等研究如雨后春笋。

图2 石墨烯材料在汽车和无人机上的应用Fig.2 Application of Graphene in automobile and unmanned aerial vehicle

2 石墨烯、惯性器件轻质功能结构材料应用分析

2.1 惯性器件特点

惯性技术是一门可自主控制载体姿态轨迹，经天纬地的高技术，是顺利升空、准确入轨、精确对接、安全返回、定点着陆、快速反应、精确打击、智能敏感、数字地球、智慧中国不可或缺的运动信息感知测量核心技术，是现代武器装备、国民经济多个领域精确敏感、轻量自主、智能保持、自动控制、多物理场耦合、多学科结晶的关键前沿［5］。

为此，惯性技术产品既凸显了性能高精度、轻质小型、精密可靠等特点，可抗空间多种粒子辐照和温度、电磁、过载等极端恶劣复杂环境需求；同样，又体现了精细多参数、精密多工序、精准多配合、精确多形状、精良微应力、精工多专用、精心多工匠的制造特色。近年来，新理论新概念产品不时涌现，产品应用领域广，民用市场发展需求快速，竞争残酷。但是，制造却成为制约其精度提高、性能改善、效率提高、成本降低的 “黑障”。多种新兴材料和数字化制造的兴起颠覆了从装备到工艺、从材料到设计的传统思维理念，形成了革命性的冲击。精密惯性技术产品作为典型精密结构体制造已成为新兴战略产业技术必须正视的现实，人们反思 “用无休止的设备精度保证越来越高精度”的传统思维正确性。同时，惯性技术产品（传统机械、光学固态、MEMS和硅微、新兴原子惯性产品及系统以及储能飞轮、力矩陀螺等）广泛应用于航空航天、航海深潜、陆用交通、能源钻探、医疗保健、智能制造、影视娱乐、网络通信、工程安全、稳姿稳向等10个方向 （见图3），也就决定了其轻质功能结构材料需求的复杂多样性、军民兼容性、通专兼备性和特种专用性。

2.2 惯性技术产品材料需求特点

广（军民两用）、高（空间制导、稳姿稳向）、深（深潜深探）、精（精确精准）、引（引领精密制造）的特点决定了惯性产品功能结构必须具备多维多层级多尺度的几何尺寸稳定性、多维多场效应复杂结构的应力平衡性、多维异形结构多材料的融合匹配性、轻质小型致密抗辐照抗腐蚀性、全温多种复杂使用环境适应性、避免和防止多余物挥发物再生的6个特点（惯性产品材料应用6要求）。由此宏观物象微观量化归咎、通用尺度的精密超精密极致量化判督、四维空间真值方位量化找准传递、多物理场微应力应变效应的量化探究、微小角速率、微重力的灵敏量化感知、高动态大过载复杂环境下的微量量化传输、新概念新原理技术关键谱量的量化分离识别、特种专用功能结构材料的量化核验就成为惯性技术产业链中揭示产品整体物象特征的真谛，实现精准量化描述和精确表征，支撑惯性技术科学研究和推动工程应用8项核心瓶颈技术。解决这8项关键技术的量化参数的确定，就会使惯性技术产生新的革命性进步，核心还是材料。当然，从功能结构需求又可分箱盖（箱体、帽盖）、座架（基座、框架）、仪表（陀螺加速度计）3类材料，即材料制造要轻质各向同性（可根据功能结构件的应用特点分别对待）、高强度、刚度、韧性、抗震、耐磨结构性能和高电磁性能、高导热导电、抗腐蚀性以及良好的可制造性。

图3 惯性技术产品及应用需求网络图Fig.3 Diagram of inertial technology products and application requirements

2.3 石墨烯、惯性技术轻质功能结构材料可能性

石墨烯技术在不断发展中，科学家希望它像铁硅时代的铁和硅成为划时代的高端材料，产业家更看重它的实用价值。虽然石墨烯存在争议，但其卓越的光学、热学、电学和机械性能已对半导体、光伏储能、航空航天的轻质功能结构等应用带来革命性影响，同样也影响着惯性技术材料的应用。

（1）石墨烯与惯性器件常用轻质结构材料性能对比

如表2所示，石墨烯的各项性能指标均远高于目前惯性器件常用轻质结构材料，但很难直接作为工程功能结构材料应用。有望通过复合增强的形式发挥石墨烯独特的强韧化机理、光热电学的优异特性、纳米量子效应，从而获得一种新型的轻质、导热、导电和加工性能优异的轻质功能结构一体化材料。

表2 石墨烯与目前惯性器件常用轻质结构材料性能对比Table 2 Performance comparison of Graphene and inertial devices commonly used lightweight structural materials

（2）石墨烯、惯性轻质功能结构材料应用探讨

①作为结构材料

目前，美军用石墨烯（0.2%～0.375%）碳纤维增强树脂基复合材料集装箱，相对于传统集装箱，质量从113.4kg减至31.8kg，强度显著增加；利用石墨烯制成的壳体较普通钢材减重83%，屈服强度提升1200%。韩国金属基石墨烯（0.0004%）复合，强度变为铜的500倍、镍的180倍。可见，极高强度、模量、比表面积和延伸性能使得石墨烯成为理想复合材料增强体。尤其与颗粒及纤维增强材料相比，石墨烯独特的二维结构和粉体具有全新的强韧化机理，并在光学、热学和电学性能上展现出来的优异性能。MDI改性石墨烯/TPEE复合材料的屈服强度、拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率皆有明显提高，且抗蠕变性能也有很大提升。轻质功能结构材料潜力巨大，关键是如何发挥石墨烯优异性能。众多研究中以铝基复合材料最为广泛，如表3所示［6-30］。

表3 国内外石墨烯/Al复合材料研究进展Table 3 Research progress of Grapheme/Al composites

石墨烯/Al复合研究始于2011年，美国陆军武器研究发展与工程中心贝尼特实验室于2011年率先报导了石墨烯/Al复合材料的研究结果。研究初期发现，石墨烯均匀性较难控制，与铝复合在结合面易生成Al4C3反应物（脆性），严重影响复合力学性能。通过均匀性改善、界面反应控制，石墨烯/Al复合材料性能有了极大提高，目前强度提高50%，硬度提高138%。

在国内，北京航空材料研究院、哈尔滨工业大学、上海交大等高校院所也进行了初步研究。经过研究证明，石墨烯加入后，只要用过挤压、轧制等变形加工，将石墨烯大致定向排列，基体铝合金的的弹性模量、室温和高温强度、热导率和电导率等性能均有大幅度提高。北京航空材料研究院的石墨烯/Al复合轧制板材抗拉强度达900MPa。如图4所示，哈尔滨工业大学研制的少层石墨烯/Al复合材料获得目前国内最高强化率，较铝合金提高300%以上，弹性模量提高34%，微变形抗力提高110%，室温抗拉强度提高216%，室温弯曲强度提高230%，延伸率提高24%，抗拉强度提高500%，热导率提高64%，热膨胀系数降低32%，具有良好的塑性加工性。需强调，这些数据均是在挤压棒材和轧制板材（最薄可达0.3mm）的挤压轧制方向上测试的实验结果，垂直方向上热导率远低于铝合金。图5为石墨烯/Al复合材料高导热面板。

图4 哈尔滨工业大学制备石墨烯/Al复合材料的流程Fig.4 Process of preparing Graphene/Al composites by Harbin Institute of Technology

可见，石墨烯粉体的出现，应该加速石墨烯/Al复合材料工程应用。但是，作为惯性器件精密结构体的轻质结构件，仍需解决增强体复合份额、界面脆化和均匀发布问题，尤其是惯性器件的结构材料各向同性要求。

图5 石墨烯/Al复合材料卫星高导热蜂窝面板（复合材料0.3mm薄板）Fig.5 Graphene/Al composite for satellite high thermal conductivity honeycomb panel（0.3mm sheet）

②作为阻尼减震材料

石墨烯具有极高的杨氏模量（1000GPa）、振动频率（MHz量级）和优异的黏弹阻尼性（10层比5层更具高损耗因子），如图6所示。材料轻质高强同时，兼具优异黏弹阻尼性，提高了材料减震性能。如何进一步通过界面设计、化学改性等方法，制备具有优异黏弹阻尼特性的石墨烯复合材料仍需开展深入的研究。

图6 石墨烯的黏弹行为Fig.6 Viscoelastic behavior of Graphene

③作为电磁屏蔽材料

电磁屏蔽材料即利用材料反射、吸收、衰减，使电磁辐射不能进入屏蔽区。石墨烯优异物理结构和电导率高，作为电磁屏蔽理想材料令人瞩目。Chen等［31］制备了聚二甲基硅氧烷/石墨烯（0.7wt%）泡沫复合材料，在30MHz～1.5GHz频率段，屏蔽效能可达30dB。泡沫提高了石墨烯聚合物中有效浓度，泡空壁中形成电子快速传递连续三维网状结构通道。Bai等通过还原法制备石墨烯（2.6%）/聚环氧乙烷复合材料，反射损耗高达38.8dB。这是石墨烯在基体中形成有效导电网络提供足量电荷载流子，电磁波与载流子交互作用产生热能消耗。相关屏蔽涂料已经问世，军民应用前景广阔。

3 石墨烯用于惯性技术轻质功能结构的思考和建议

目前，铍材依然是惯性器件较理想的材料，但是铍材的耐磨性、导热导电性较差，且昂贵、粉尘有毒，其应用被大大限制。石墨烯及其复合材料只有在二维或一维方向具有优异的力学、热学、电学性能（其性能打多少折扣，仍需深入实验研究），电磁屏蔽、二维热均衡控制等功能化二维膜层的应用将会有所突破。但二维各向异性结构制约了精密结构体的应用，希望石墨烯截面减小到一定程度，通过特殊的方法制备石墨烯呈三维网络框架结构，实现获得三维各项同性的三维石墨烯铝复合材料研制。因此，要持续开展基于惯性需求的石墨烯相关技术的应用研究，如室温霍尔效应、电子衍射等，发挥石墨烯独特作用和潜力的同时，加强高体积分数石墨烯/Al复合材料的研究（目前通常小于2wt%）。在此基础上，根据惯性产品不同需求开展适用性研究，实现惯性器件应用，推动惯性技术进步。

4 结论

石墨烯发现仅10余年，因存在很多不确定性而争议不断。但其优异性能的诱惑，始终使其成为材料科学和凝聚态物理等多领域研究热点，受到世界科技和工程界的重视。目前其制备技术正逐步由实验室走向商业化，应用产品开发不断取得新进展。

材料是惯性器件的根本。石墨烯技术不是单纯的材料性能研究，工程应用更为重要。所以，科学拓展石墨烯惯性产品应用研究，将材料研究与工程应用研究相结合，才能让石墨烯技术在惯性领域大放异彩，使惯性技术萌发新的革命。

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Discussion on Graphene Used for Inertial Device of Light Functional Structure

YAN Xiao-jun1，DONG Rong-hua1，CHEN Xiao-zhen1，WU Gao-hui2，WANG Ya-jun3
（1.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039； 2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001；3.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095）

From the first discovery in 2004 to the Nobel Prize in 2010，countries around the world promoted Graphene technology research to a strategic level to a strategic level.Graphene become one of the hottest research areas，acquired great achievement in the field of Lithium-ion batteries，sensors，functional coatings and composite materials.In this paper，based on the application requirements of inertial technology lightweight functional structural，Graphene as inertial device in the development of lightweight functional structural materials was discussed，through combing the technical characteristics and research situation of Graphene materials.

Graphene； inertial device； composite material； light； functional material

U666.1

A

1674-5558（2017）07-01475

10.3969/j.issn.1674-5558.2017.06.016

2017-09-27

航天先进制造技术研究联合基金（编号：E050903）

严小军，男，博士，研究员，研究方向为惯性仪表工艺技术。