石墨烯用于精密构件轻质功能结构的探讨

严小军，董蓉桦，陈效真，武高辉

(1.北京航天控制仪器研究所，北京 100039；2哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001)

人类社会历经了石陶器、青铜器、铁器、硅基和碳基等时代。从农耕时代的“黄色文明”到工业时代的“黑色文明”，再到互联网时代的“深蓝色文明”，材料历经恒古，一直是社会进步的物质基础和人类文明的主要标志，更是科学技术发展的重要核心。人类社会跨越的每一步都离不开新兴材料的科学进步，人类历史也是材料进步历史。人类历史阶段的划分即是材料进步里程碑的划分。材料研究水平和产业规模已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。材料、能源和信息被看作21世纪社会发展和科学进步的三大支柱。

近年来，随着我国航空航天、国防工业的发展，仪器仪表的精密化、轻质化、小型化和集成化是必然趋势，薄壁、异形复杂构件的整体精密成形技术是必须解决的重大技术关键。近几年来，应用先进设备、优化加工过程和采用多元复合控制使得精密构件成形技术有了较大发展；但是，材料始终是制约我国精密构件性能精度的瓶颈，材料性能不稳定、针对性材料更新换代慢更成为制约精密构件精度提高的关键因素。石墨烯技术的兴起无疑为精密构件的进一步发展提供了新的契机。

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，优异的热导率、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，以其轻质功能结构应用显现出深远广阔影响[1]。

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(见图1)，是目前自然界最薄、强度最高，且具有十分优异光电、导热、耐磨和耐腐蚀等性能的材料[2](见表1)。

图1 石墨烯的透射照片

表1 石墨烯结构材料的性能

可见，石墨烯是具有超高理论比表面积、高本征迁移率、高弹性模量、高透光率和理论电导率等特点，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。

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)，以及石墨烯粉体的应用成果不断涌现。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，商业化定制产品需求日见增多，供应商专业化渐成主流，行业国家标准即将出台。并且，对三维大面积石墨烯的生长以及石墨烯微观力学、化学修饰和制备新型材料等研究如雨后春笋。

2 精密构件轻质功能结构材料应用石墨烯分析

2.1 精密构件的材料需求特点

精密仪器仪表结构材料的尺寸稳定性及功能材料的功能稳定性是仪表高精度和精度稳定性的基础。精密仪器仪表对其结构材料的性能要求与其他机械零件有着明显的不同，具体如下：1)尺寸稳定性高(在时效、冷热交替变化、振动冲击及辐照等环境条件下，尺寸变化通常<1～5 ppm)；2)热学性能匹配性好(膨胀系数应与配合零件相匹配，避免在温度变化过程中产生热错配应力；热导率要高，具有抗热载荷能力，减小热惯性)；3)微屈服强度高(发生永久微应变前承受载荷的能力大)；4)密度小(在高速摆动下惯性力矩小；在振动条件下系统保持稳定)；5)刚度高(在应力作用下弹性变形小；在振动条件下谐振频率高)；6)环境适应性强(抗高能射线辐照，抗高真空、抗粒子流冲击、抗腐蚀、抗电磁环境)；7)力学与物理学性能各向同性(能保证复杂零件对外界环境变化的反应能够在各个方向上均匀一致，易于误差补偿)；8)有的零件功能材料要求密度高、电磁性能好。

2.2 精密构件轻质功能结构材料应用石墨烯的可能性

石墨烯正在被不断探讨且充满争议，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，产业家则更看重它的实用价值。其卓越的光学、热学、电学和机械性能已经对半导体、光伏储能、航空航天的轻质功能结构等应用带来革命性的影响，同样也将对精密构件材料的应用带来影响。

2.2.1 石墨烯与精密构件常用轻质结构材料性能对比

石墨烯与目前精密构件常用轻质结构材料性能的对比见表2。

表2 石墨烯与精密构件常用轻质结构材料性能对比

由表2可见，石墨烯各项性能指标均远高于目前精密构件常用的轻质结构材料，但其很难直接作为工程功能结构材料应用。可通过复合增强赋予基体多功能化特性，发挥石墨烯独特的强韧化机理，光学、热学、电学优异特性以及纳米量子效应，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。

2.2.2 精密构件功能结构材料应用石墨烯

本研究从如下3个方面进行探讨。

1)作为轻质结构材料。石墨烯具有精密构件需要的高弹性模量、高强度、高热导率和低密度等特点，但同时也有不利于精密构件的缺点，如力学与物理学性能各向异性，通过复合增强后，石墨烯复合材料有望通过设计充分发挥石墨烯的优点，弥补各向异性的不足；因此，石墨烯复合材料在精密轻质构件中应用潜力巨大。各种石墨烯复合材料中，以铝基复合材料研究最为广泛，国内外石墨烯/铝复合材料研究进展见表3。

表3 国内外石墨烯/铝复合材料研究进展[4-28]

石墨烯/铝复合研究始于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年率先报道了石墨烯/铝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)，严重影响了复合力学性能。通过均匀性改善和界面反应控制，石墨烯/铝复合材料性能有了极大提高，目前强度提高50%，硬度提高138%。

北京航空材料研究院、哈尔滨工业大学、上海交通大学等高校和院所也进行了初步研究。北京航空材料研究院的石墨烯/ 铝复合轧制板材抗拉强度达900 MPa。哈尔滨工业大学的少层石墨烯/铝复合材料，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%，300和400 ℃抗拉强度提高500%，热导率提高64%，热膨胀系数降低32%。其制备流程如图2所示。这些研究为石墨烯增强铝基复合材料在精密轻质构件中的应用奠定了基础。

图2 哈尔滨工业大学制备石墨烯/Al复合材料的流程

但是，石墨烯/铝复合材料作为精密结构体的轻质结构件，仍需解决增强体复合份额、界面脆化和均匀分布问题，尤其是精密构件的各向同性要求。

2)作为阻尼减震材料。石墨烯具有极高的杨氏模量(1 000GPa)、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)，使材料轻质高强，同时兼具优异黏弹阻尼性，提高了材料减振性能。石墨烯的黏弹行为如图3所示。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3 石墨烯的黏弹行为

3)作为电磁屏蔽材料。电磁屏蔽材料可利用材料反射、吸收、衰减电磁辐射，使其不能进入屏蔽区。石墨烯物理结构优异和电导率高，作为电磁屏蔽的理想材料令人期待和瞩目。Chen等[29]制备了聚二甲基硅氧烷/石墨烯(0.7%)泡沫复合材料，在30 MHz～1.5 GHz频率段，屏蔽效能可达30 dB，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38.8 dB。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 精密构件轻质功能结构应用石墨烯的思考和建议

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、热学和电学性能，在电磁屏蔽、二维热均衡控制等功能化二维膜层的应用将会有所突破；但各向异性结构制约了精密结构体的应用。有望将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。在此基础上，根据精密构件产品的不同需求开展适用性研究，实现精密构件应用，推动精密构件进步[30]。

4 结语

石墨烯发现仅10余年，还存在着很多不确定性且争议不断；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的研究热点，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。

材料是精密构件的根本。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，将材料研究与工程应用研究相结合，才能让石墨烯技术在精密仪器仪表领域大放异彩，使精密构件技术萌发新的革命。

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