石墨烯具有獨特的二維結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性能和高導(dǎo)熱性能等超強(qiáng)的力學(xué)和功能特性，被認(rèn)為是最理想的復(fù)合材料增強(qiáng)體，坊間有戲言，稱其“除了不能吃，石墨烯可以用于一切領(lǐng)域，一切產(chǎn)品中”。有專家甚至認(rèn)為，未來10——20年石墨烯將引發(fā)一場技術(shù)革命。

通常金屬基復(fù)合材料都是以包括顆粒、晶須、纖維等形態(tài)的陶瓷相作為增強(qiáng)體，在金屬基體中引入均勻分散的納米級增強(qiáng)體粒子，所得到的金屬基復(fù)合材料往往可以具有更理想的力學(xué)性能及導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性能。

由我國自主研發(fā)的鋁基石墨烯復(fù)合材料——烯鋁合金架空導(dǎo)線，相對于傳統(tǒng)材料導(dǎo)電率不降或微降的前提下，大幅度提升材料抗拉強(qiáng)度，克服了抗拉強(qiáng)度與導(dǎo)電率的矛盾關(guān)系，使得中國在石墨烯應(yīng)用于金屬領(lǐng)域的發(fā)展道路上邁出了關(guān)鍵一步。

目前，中天科技已在工業(yè)化連鑄連軋生產(chǎn)線上成功試生產(chǎn)。新疆眾合與深圳前海烯匯材料科技合伙企業(yè)及河南省遠(yuǎn)洋粉體科技股份有限公司共同成立新疆石墨烯新材料科技有限公司研究開發(fā)“石墨烯鋁合金導(dǎo)線桿材”，推廣石墨烯鋁合金導(dǎo)線桿材。

神奇石墨烯助力鋁合金

眾所周知，鋁合金具有低密度、高強(qiáng)度和良好延展性，但是鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料，受到導(dǎo)電性和抗拉強(qiáng)度的制約，電纜行業(yè)“以鋁代銅”的進(jìn)展并不樂觀。因此，如何提高鋁合金強(qiáng)度一直是研究者的主攻方向。在鋁合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳納米管制備鋁基復(fù)合材料來提高合金強(qiáng)度成為學(xué)者們研究方向。而石墨烯具備優(yōu)異的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和電學(xué)性能，是制備金屬基納米復(fù)合材料最為理想的增強(qiáng)體之一。

然而，如何將石墨烯納米片均勻分散到金屬基體中，同時使石墨烯和金屬間形成良好的接觸界面且不破壞石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)成為研究中的重點難題。鋁基石墨烯復(fù)合材料解決了石墨烯與基體金屬的潤濕性、石墨烯與基體金屬的界面結(jié)合強(qiáng)度、石墨烯與金屬基體的界面明確、石墨烯在金屬基體中的形貌和分散均勻性可控等技術(shù)難題。鋁基石墨烯復(fù)合材料桿材抗拉強(qiáng)度提升范圍25%——50%，達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。鋁基石墨烯復(fù)合材料桿材，帶來更高的產(chǎn)能、更低的成本，對該復(fù)合材料未來的產(chǎn)業(yè)化推廣進(jìn)程具有重要意義。

目前，行業(yè)內(nèi)已掀起石墨烯淘金熱，日、韓、德、英等國家也都把石墨烯材料及產(chǎn)品定為未來革新產(chǎn)業(yè)之一，投入巨資推動石墨烯研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用研究。鋁基石墨烯復(fù)合材料，在石墨烯的助力下，鋁材用量可以進(jìn)一步減少，實現(xiàn)更大程度的輕量化，其經(jīng)濟(jì)和社會效益十分顯著，“以鋁代鋼”成為現(xiàn)實。鋁基石墨烯復(fù)合材料產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用，推動了我國石墨烯復(fù)合材料的發(fā)展，點亮了石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化前行之路。

石墨烯到底是什么？實驗室里走出的“多面嬌娃”

石墨烯雖然一度被科學(xué)家認(rèn)為不可能在有限溫度下單獨穩(wěn)定存在，然而它的誕生就像是“捅破一層窗戶紙”――實驗室里，科學(xué)家通過一種簡單易行的機(jī)械剝離法，從石墨表面剝離出石墨片，然后把石墨片兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶將其一分為二，如此重復(fù)操作，就使石墨片變得越來越薄，直到最后“撕”成由一層碳原子構(gòu)成的薄片，石墨烯就這樣誕生了。真是“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費(fèi)功夫。”

由于石墨烯是由一層碳原子構(gòu)成，因此它又被稱為單層石墨，其原子排列與石墨的單原子層相同，是一個按六邊形蜂巢結(jié)構(gòu)排列形成的二維平面晶體。從廣義上來說，有時層數(shù)小于10層的石墨也可稱為石墨烯。

石墨烯如同是一個“多面嬌娃”，具有一般材料所不具備的眾多優(yōu)異性能，它占據(jù)著太多的材料世界“之最”。

它的理論厚度只有0.34納米，僅為頭發(fā)絲的20萬分之一，是目前世界上最薄的材料；1毫米的石墨薄片，居然能剝離出多達(dá)300萬片石墨烯，1克石墨烯可以覆蓋一個足球場，它是目前世界上最輕便的材料；它的強(qiáng)度為優(yōu)質(zhì)鋼的200倍、鉆石的2倍，毫無疑問，它是目前世界上強(qiáng)度最優(yōu)的材料，如果把一片像食品保鮮膜一樣的石墨烯覆蓋在一只杯子上，想用一支鉛筆戳穿它，需要一頭大象的重量壓在鉛筆上。

在石墨烯內(nèi)，碳原子就像細(xì)鐵絲網(wǎng)圍欄一樣排列，其對可見光的吸收只有2.3%，近乎是透明的。這種結(jié)構(gòu)也使得它十分柔韌，即便大角度彎曲也不會斷裂，因此它是最柔韌的材料。

此外，它還具有電阻率最低、熱導(dǎo)率最高、吸附性很好、過濾性很強(qiáng)等其它材料望塵莫及的優(yōu)越性能。

正是因為石墨烯擁有非同一般的神奇特性，科學(xué)家預(yù)言它將徹底改變21世紀(jì)，有望掀起現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域一場新的革命。

“石墨烯+”引發(fā)產(chǎn)業(yè)變革

這種用膠帶“撕”出來的小小的石墨烯，在帶給兩位科學(xué)家諾貝爾獎榮譽(yù)的同時，迅速在世界上激起了巨大波瀾，引發(fā)了全球的研發(fā)熱潮，近年來在許多領(lǐng)域催發(fā)出突破性的進(jìn)展，很多神奇特性不斷被發(fā)現(xiàn)，作用機(jī)理不斷被破解，應(yīng)用潛力不斷被挖掘，由此引發(fā)了一場“石墨烯+”的產(chǎn)業(yè)變革。

石墨烯誕生于石墨，儲量豐富、價格低廉，它獨特的二維晶體結(jié)構(gòu)和諸多物理、化學(xué)、生物學(xué)等特性，使它迅速呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，其研發(fā)成果已開始進(jìn)入人們的生活。

科研人員運(yùn)用石墨烯的超大比表面積和優(yōu)越導(dǎo)電特性，多種基于石墨烯的儲能設(shè)備已相繼問世，突破了現(xiàn)有電池容量小、充電時間長的瓶頸。2011年11月，美國西北大學(xué)的研究團(tuán)隊研發(fā)出一種采用石墨烯和硅材質(zhì)的電動汽車電池，充電量比以前增加了十倍，充電15分鐘可以實現(xiàn)約一周的續(xù)航能力。

2014年2月，我國中科院金屬所研發(fā)出一種石墨烯鋰硫電池，儲電能力達(dá)到目前鋰電池18倍以上，與目前電動汽車的電池相比，電池重量下降90%以上，一次充電不超過10分鐘，巡航里程超過450公里，每公里成本下降4/5，電池壽命超過30年。這些新型電池不僅在民用領(lǐng)域大有作為，在各種軍用設(shè)備特別是無人飛機(jī)、單兵攜帶電源等方面發(fā)揮重要作用。

石墨烯超薄、超輕、超強(qiáng)、超韌性、超過濾性和超透光性等特點，是研制輕型戰(zhàn)機(jī)、航天器、激光武器、核武器和維護(hù)保障等裝備的重要材料，也可用于防彈衣、裝甲車輛、防御工事等新型高性能軍事裝備，在減輕重量的同時提高其防護(hù)能力。

只有人類共同努力，積極克服所有這些困難和障礙，石墨烯的很多應(yīng)用才能夢想成真，才能發(fā)揮出更大的潛能，從而真正成為改變世界的一種“萬能”材料。

整理：ChemicalBook中文編輯部

編輯人員：娜米