“神奇材料”石墨烯

  锂电池里添加一种神秘的复合导电粉末，有望实现手机“秒充”。

  它如此之薄，1克展开面积2630平方米！这种类似科幻名著《三体》中“二向箔”的神奇材料揭开面纱，从实验室走进现实生活。它，就是石墨烯。

  目前，石墨烯产业已被纳入国家战略布局。《中国制造2025》首个重点领域技术路线图把它列为前沿新材料之一。中国“十三五”规划建议明确提出将加快突破新材料等领域核心技术。工信部等部委也联合发文，提出要将石墨烯产业打造成先导产业。

  这一“横空出世”的新材料到底神奇在哪里？能给我们的生活带来怎样的变化？何时才能迎来属于它的大时代？

  石墨烯，实际就是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。铅笔芯用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起。

  听起来稀松平常的石墨烯，却有诸多独一无二的特性。通俗来说，目前自然界中，这东西最薄、最结实，导电性极好，在工业领域中几乎无所不能。

  石墨烯有多薄？厚度仅为普通纸张的十万分之一。

  石墨烯的发现者、2010年诺贝尔物理学奖获得者安德烈·海姆这样描述石墨烯：可以被无限拉伸，弯曲到很大角度不断裂，可以抵抗很高的压力，同时还有着非同寻常的导热性和导电性。

  石墨烯电阻率极低，电子能在其中极为高效地移动，这使得石墨烯有非常好的导电性。相关专家介绍，如果将石墨烯与电子元件、电子设备进一步结合使用，可以增强储电设备的储电率，提高储电性能。

  虽然只有一个原子的厚度，但石墨烯却是非常强韧的材料。通俗地讲，它强过钻石，“秒杀”钢铁。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用一个平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，可以承受1公斤的重物。

  石墨烯还具有“针插不进、水泼不进”的零渗透特性。如果给船体涂上石墨烯涂层，就好像穿上防腐“铠甲”；如果发生化学品火灾，一张石墨烯薄膜可以把火灭掉。

  石墨烯的惊奇之处还远不止此。1克重的石墨烯展开后面积为2630平方米！这么大的比表面积（物理用词：1克固体拥有的总表面积）使其拥有超强的吸附性。

  未来可应用于哪些领域？

  服务国民经济、百姓生活用途广泛

  随着科研发展，目前，石墨烯系列产品开始走入百姓生活。不久前在青岛举办的2015中国国际石墨烯创新大会上，石墨烯理疗、保暖产品、LED用高导热石墨烯复合材料、石墨烯防弹材料等20余种石墨烯产品全新推出。

  在石墨烯的诸多应用中，最受普通大众关注和期待的，是它改变手机等电子设备产品功能的可能性。

  智能手机刚出现的时候，长时间通话、玩游戏，手机就会发烫。如今这一问题基本解决——因为石墨烯材料极好的导热性得到了应用。常州市某科技公司近年来生产出石墨烯导热材料，迅速被应用在智能手机上，成为小米等手机的大客户。公司销售额在3年内从600万元“爆发式”增至2亿元以上。

  智能手机触控屏的性能提升将直观地改善用户操作体验。上个月，我国一家科技公司推出了全球首款石墨烯压力触控传感器，这一技术应用于智能移动终端电子产品上，可实现多级按压感应、轻按、轻击、指甲敲击、壳体振动等多项功能。

  值得一提的是，中国科学院重庆绿色智能技术研究院已成功制备出国内首片15英寸单层石墨烯触摸屏，并正在开发系列基于石墨烯的柔性传感器件。今后手机、电脑的显示屏将超薄、超轻，可弯曲。

  石墨烯另一个备受期待的贡献就是改进锂电池性能。据介绍，简单讲，在锂电池中加入石墨烯复合导电粉末，充电更快、容量更大、寿命更长。这有望让手机“秒冲”、电动汽车告别几小时充电成为现实。

  被科学家预言将“彻底改变21世纪”的石墨烯，还有什么令人期待？

  根据此次三部门印发的《意见》，未来石墨烯将在航空航天、武器装备、重大基础设施，以及新能源、新能源汽车、节能环保、电子信息等领域有广泛应用。而石墨烯薄膜、石墨烯功能纤维的穿戴产品的开发，也让这一新材料更好地服务民生。

  石墨烯时代还有多远？

  从实验室走向产业化的关键时期

  值得关注的是，中国本身就有生产石墨烯的独特优势。据统计，我国石墨矿储量占到世界总储量的75%，生产量约占世界总产量70%。目前，我国石墨烯企业已超过百家，并在常州、无锡、青岛、深圳等地形成产业集群。

  业界普遍认为，经过自主系统研发，生产技术、工艺装备和产品质量取得重大突破，我国石墨烯材料在储能器件、改性材料、智能穿戴等产品上的应用效果逐步显现，产业化步伐明显加快。我国石墨烯材料正处于从实验室走向产业化的关键时期。

  把石墨烯产业打造成先导产业，国家政策指明了石墨烯产业的发展路线。业内人士认为，2015年是我国石墨烯产业发展元年，政策利好不断释放，石墨烯产业的发展将真正迎来春天。

  前景美好，“烯”望无限，但不得不承认，我国石墨烯产业发展仍有诸多短板亟待补齐。

  据相关专家介绍，要实现石墨烯的“明星”应用，需要生产出低成本、高品质的石墨烯成品。但要制出这种石墨烯我们在技术层面还面临着很多挑战。

  一些业内人士指出，欧盟在2013年初对石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”给予10亿欧元的资助，这是欧盟历史上最大的投资。而我们的投资力度还较弱。而且，我国的石墨烯高端专业研发人才缺乏，研究力量也较为分散，亟须建立一条完整的石墨烯研发、生产、应用的全产业链，优化研究和产业化生产环境，强化分工合作共同对石墨烯的应用市场进行培育与开拓。

  此外，虽然石墨烯研究应用发展迅猛，但石墨烯的研究单位和企业在石墨烯的定义、性能、制备方法等行业技术核心问题上尚未形成共识，石墨烯标准尚需进一步规范。

  3D打印材料

  虽然说3D打印在国内近几年热度才升起来，但就国际而言，3D打印发展早在20世纪80年代就已经兴起了。国际范围内，美国Argen Corporation（在牙科金属材料领域尤其有实力），美国Carpenter Technology，德国Concept Laser, 英国CPM，德国EOS，意大利Legor Group，英国LPW Technology，美国Pyrogenesis（在国防领域尤其擅长），瑞典Sandvik，德国SLM Solutions等企业在各自的金属打印领域提供了一系列的行业解决方案。相比国外，国内金属3D打印材料大部分依赖进口，价格昂贵，这也促使国内致力于3D打印金属材料的企业和机构自主研发金属3D打印材料。

  金属3D打印材料的应用领域相当广泛，例如，石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、时装等。

  但是，因为金属3D打印材料本身的材料属性，其都有特定的应用领域范围，因此，金属3D打印材料选择的过程是一个权衡多个因素的过程。而且，3D打印金属不能仅仅凭借金属3D打印机的参数来衡定，每种金属材料都有适合自身特性的极限点，包括应用、功能、稳定性、耐久性、美观性、经济性都是设计师要考虑的因素。

  现今，国内外金属3D打印机采用的金属粉末一般有：工具钢、马氏体钢、不锈钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。

  碳纤维

  碳纤维增强复合材料（CFRP）是如何制造出来的呢？就让我们从碳纤维说起。碳纤维只是一种纤维，只用它是无法制造出部件的。所以，碳纤维要和树脂一起制成复合材料使用。根据所用树脂种类的不同，以及碳纤维品种、状态（可制成织物及短纤维等多种形态）的不同，制成的CFRP的特性也大不相同。单是主要的中间基材（成型材料）就有4种。这些中间基材及成型材料对应的主要成型方法也不一样。

  CFRP使用的树脂有两大类，一类是环氧树脂及非饱和聚酯树脂等热硬化性树脂，另一类是聚丙烯（PP）及聚酰胺（PA）等热可塑性树脂。这两种树脂的特性有所不同。

  热硬化性树脂在碳纤维浸渍阶段为低粘度单体，之后，随着成型时的加热发生聚合，变成聚合物（树脂）。由于聚合反应需要一定时间，因此成型周期通常较长。利用制造飞机结构件时使用的热压罐法，加热时间达到2～4小时。

  而使用热可塑性树脂时，其成型与通常的树脂成型基本相同，小尺寸部件的射出成型可在10秒内完成，即便是非常大的大尺寸部件的冲压成型，也可在1分～数分内完成。由于加工效率高，因此可轻松实现低成本化。不过，与热硬化树脂相比，热可塑性树脂的熔融粘度较高，所以加工大尺寸部件时必须使用大型冲压机。

  高熵合金

  高熵合金概念由台湾科学家叶均蔚于1995年提出的。高熵合金含有多种主要元素，每种元素介于5%-35%之间。传统金属则是以一种元素为主，而高熵合金是多元素共同作用的结果。所以高熵合金是一种颠覆数千年以来的合金制备方法。与传统合金相比，高熵合金表现出更高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀等等。

  但是，高熵合金的机理及其科学问题尚未得到很好的理解。目前的高熵合金体系也只是通过“鸡尾酒”方法调配而成， 还没有科学系统的选择合金元素的理论。

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