中国突破石墨烯技术 可秒充电池造超级装甲

2015-12-01 19:21:38来源: 网易 关键字:中国  石墨烯  装甲  国防
    石墨烯是只有一个原子厚度的二维晶体,它既是最薄的材料,也是最强韧的材料。可秒速为手机满电,制成使雾霾无法穿透的防护口罩,还可制造比钢铁还强韧的装甲,被视为革命性材料的石墨烯已经逐渐被带入现实。中国不仅在石墨烯科研上走在世界前列,中航工业更希望将之产业化。中航工业展示的图片显示,在国防方面,石墨烯可用于装甲防护、航空发动机和超高声速飞行器。

    11月27日,中航工业石墨烯科技发展与产业规划发布暨签约仪式在北京举行。未来几年,中航工业将着力打造系列化石墨烯产业集群,形成完整的石墨烯产业链,重点开展石墨烯应用基础研究,新技术探索和新领域开拓。仪式上,中航工业与合作伙伴共同签署中航石墨烯科技发展有限公司投资协议、中航工业首个石墨烯控股产 业化项目——中航防护科技有限公司的投资协议以及系列石墨烯研发及产业化合作协议。中航工业董事长、党组书记林左鸣出席仪式并致辞。未来几年,中航工业将着力打造系列化石墨烯产业集群,形成完整的石墨烯产业链,重点开展石墨烯应用基础研究,新技术探索和新领域开拓。

碳——“神奇”的元素

    碳是地球上最普遍也是最奇妙的一种元素,它可以形成世界上最硬的金刚石,也可以形成最软的石墨,它的“神奇”特性正是源自于多个碳原子可以形成多种多样的排列,这些不同的排列被称为同素异形体。而在微观上看似简单的原子排列差异却能在宏观上带来巨大的材料性能差别。近30年来,碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域,1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管均引起了巨大的研究热潮。上图展示的正是碳的几种同素异形体,它们分别是石墨烯、石墨、碳纳米管和富勒烯。

已知唯一只有一个原子厚度的二维材料。在之前石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,改变发生在2004年。2004年,英国曼彻斯特大学的两位俄裔物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地从石墨中分离出石墨烯,证明了这一结构完全可以稳定存在。两人也因为“在二维石墨烯材料的开创性实验”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。2004年的研究成果在2010年就获得了诺贝尔奖,在诺奖中堪称“神速”,这表明了科学界对石墨烯的关注和认可。

    事实证明,石墨烯理应得到关注,因为科学家们很快就发现,石墨烯是目前世界上已知的最薄且又最坚硬的纳米材料。石墨烯几乎完全透明,只吸收2.3%的光。但又非常致密,即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。而接下来的实验结果更是让科学家“瞠目结舌”,多次实验证明,石墨烯不但最薄最硬,而且是已知自然界导热率最高的材料,同时也是电阻最低的材料,此外,它还有如常温下发生量子霍尔效应等其他特性。可谓性能“恐怖”的超级材料

    当实验逐渐揭露出石墨烯的罕见特性时,各国立即意识到它可能带来的巨大价值并纷纷投入巨资展开研究。人们普遍认为石墨烯将取代多晶硅等众多传统材料成为“材料之王”。

石墨烯已经批量生产应用

    由于石墨烯直至2004年才被发现,此时中国已经具备了较完善的科研体系,所以国内的各大科研院所立即展开了相关课题的研究。中航工业作为中国航天领域的龙头企业,也立即在航材院成立了石墨烯研发团队并迅速发展为大型实验室,专攻石墨烯的制备方法和在各领域应用的技术课题。在此次发布会上,中航工业航材院王旭东博士介绍了中航工业石墨烯基础研究和应用研究进展,中航工业在掌握高性能、低成本石墨烯纳米片和石墨烯薄膜制备技术的基础上,同时致力于开展石墨烯应用研究和工程技术开发,推动石墨烯在航空航天、能源、电子和生物等领域应用,已在石墨烯纳米片批量化制备、功能化石墨烯、石墨烯宏观体制备、大尺寸石墨烯薄膜批量化制备、石墨烯增强金属结构材料、石墨烯储能材料、石墨烯电子封装材料、石墨烯电线电缆材料、石墨烯环境净化材料、石墨烯涂料、石墨烯改性非金属材料、石墨烯信息材料等领域取得了诸多独创性的成果。下面通过会场的展板进行重点介绍。

石墨烯在国防科技领域的应用

    由于石墨烯是已知的最薄且又最坚硬的纳米材料。所以通过复杂方法添加到传统防弹材料中,可大幅增强防弹性能同时减轻防护材料的重量。应用前景广阔。

    从展板中可以看到,将石墨烯应用到装甲材料中,使材料的密度和体积都有显著下降,防护能力则反而有所增强。现场技术人员介绍,目前含有石墨烯的装甲材料已经应用到一些新的国防装备中,只是由于涉密原因不能具体透露

    由于可以通过不同合成方法调节石墨烯装甲的防护能力,使得石墨烯防护材料不仅可用于军事领域,也可拓展至警用和民用领域,比如军用头盔,防爆车辆和民用防护装备,实现军品民品协同发展。

石墨烯在航空航天领域的应用

    石墨烯是已知自然界导热率最高的材料,这就使它拥有了极好的散热性能,其中一块展板就介绍了在高速飞行器中石墨烯的重要作用,不过可能是保密原因,展板的图片均采用的是美国目前试验中的高超音速飞行器照片。

    通过石墨烯既轻薄又坚韧的特性对传统合金进行改进,可使航空发动机涡轮减轻重量同时增强增韧并延长使用寿命,可见对于我国飞机长期以来的“心脏病”也就是发动机问题,“神奇”的石墨烯同样可以帮到大忙。现场的科研人员介绍称这项研究是中国首先展开的,由此也可见国内各专业的科学家们对于国产发动机所作出的努力。

石墨烯在其它领域的应用

   石墨烯的应用范围极大,绝不仅仅限于最尖端国防航空领域。下面就简述一些会议中透露的应用方向。

    一、可对传统电池进行改性,利用石墨烯电子迁移速度极高电阻极低的特性,使电池充电时间大幅缩短并且大幅提升电池充放电寿命。

    二、可对传统涂料进行改性,使得被喷涂金属防腐能力较传统涂料提升数倍。

    三、利用非常致密,即使是最小的气体原子也无法穿透的特性,对传统的过滤材料进行改性,可制作出强吸附材料和强过滤材料,如中航工业航材院研制出的防雾霾口罩,过滤能力远高于现有产品且重复过滤能力大大增强。

    四、通过石墨烯超常规的电学性能和力学性能对铝导线进行改性,提升了铝导线的导电率和使用寿命,有助于中国加快建设铝导线电网以替代成本高,质量重,较稀有的铜制导线。

    五、由于石墨烯为碳的单体且具有规整的排列方式,使其原子核外电子形成特殊的能带结构,导致它具有神奇的减小摩擦力的作用,可对润滑剂进行改性,增强润滑性能和使用寿命。

    其实石墨烯可应用的领域还有很多很多,而且大家从上述介绍中就可看出,石墨烯真可谓是“神奇”的材料“药水”,把它添加到任何传统材料中,似乎都能使他们迸发出新的“魔力”。

绝不能再“起个大早,赶个晚集”

    在发布会上和之后的媒体采访中,中航工业董事长、党组书记林左鸣多次强调,新一轮科技革命和产业变革蓄势待发,其突破口一定是在材料领域。我们必须抓住材料科学创新这个新一轮科技革命的导火索。以石墨烯为代表的材料技术让我们与世界站在了同一起跑线上,并已经取得了很多技术突破。但我们必须吸取曾经的教训,这个教训就是虽然中国有过在某些领域首先实现突破,但常常思维僵化,没能快速将科研成果实用化、产业化,最后让外国人抢了先机,获得了最大回报。所以我们绝不能再“起个大早,赶个晚集”,石墨烯作为一种有可能颠覆未来发展的战略性新兴材料,发展正当其时。我们一定要以石墨烯技术为契机,实现科技创新的“弯道超车”。

    确实,曾经的中国由于种种原因已经落后世界太多了,从某种意义上说属于经验积累科学的材料科学与世界先进水平的差距更是巨大,而新生事物石墨烯确实是中国在材料领域实现“弯道超车”的绝佳机会。目前中国已经具备了较完善的科研体系和较强的资本积累,学习西方先进的科研转化经验势在必行。让我们自己的资本力量成为科研成果转化的“催化剂”,使高大上的科学理论和试验成果快速转化为在市场上具有竞争力的产品。这正是此次中航工业石墨烯科技发展与产业规划发布暨签约仪式所做的。未来中航工业将以中航石墨烯科技发展有限公司为核心研发平台和成果输出源,通过科研成果授权经营、科研成果作价入股、提供有偿技术服务、按销售提成等多种利益分配模式,合理获得创新主体的利益回报。并在成果具备产业化条件时,在中航工业内外引入战略合作伙伴,成立产业公司。预计未来两年,中航工业将有近10个石墨烯项目进行产业化。石墨烯作为高端前沿学科,研发投入很大,此次中航与投资公司的签约规模都在百亿以上,未来可能要达到千亿。数额看似巨大,但只要一些项目最终转化为在世界上具有竞争力的产品带来的收益可能就是万亿级并能带动国家整个相关学科的发展。只有将金钱投资在这种真正的创新科学并转化为产品,中国的未来才能有更大发展。

    再说一些与中航工业航材院王旭东博士交流时的收获。王博士很年轻,非常乐于与媒体交流目前中航工业在石墨烯领域的研发成果。对于发动机这个堪称中国航空工业的老大难问题,各个媒体都十分关注,纷纷向王博士询问石墨烯能对中国的国产发动机带来什么帮助,王博士的回答有点让人吃惊,他说目前中国在很多发动机用材料上是领先世界的,而且目前已经在我们自己的发动机上有所应用,但我们的材料在整合上常常出现问题,导致发动机依然落后,他说他一定会运用所掌握的石墨烯知识帮助改进国产发动机,也说由于保密原因很多成果也无法展示。当记者问到中国发展石墨烯有何优势时,王博士说,中国有大量石墨矿藏也有大批从事相关研究的科研团队。单说目前中航自己的航材院就已经突破了新的石墨烯制备技术,使石墨烯制造成本有较大下降,虽然价格无法透露但也绝不是当年的“黑色黄金”了。有了制备的基础也是中国更容易展开石墨烯的各项应用研究。有媒体询问石墨烯研发投入那么大,是否会入不敷出时,王博士坚定的回答肯定不会,因为石墨烯应用的方面太广了,而且目前已经体现出价值并得到了应用。他又介绍了石墨烯的一些应用,其中的石墨烯电池和芯片让小编印象非常深刻,他说目前除了用石墨烯改性现有的电池如锂电池外,最前沿的是正在研发的第三代石墨烯电池技术也就是纯石墨烯电池,它的性能竟然可以达到每克电池核心储存超过1500毫安的电量并能以远快于现有电池的速度充电。这不正是电动汽车一直在等待的突破技术吗。而石墨烯芯片则是在原子层面布置电路,围观等级远低于现在常见的纳米级芯片,如果实现将制造出功耗极低,性能极强,发热则几乎可以忽略不计的超级芯片,到那时人们掌上的手机真不知会具有何等恐怖的性能。怪不得有人断言,如果说20世纪是单晶硅的世纪,那么21世纪就是石墨烯的世纪。当然,这些产品不会很快来到人们面前,他任然需要像王博士这样的科学家们夜以继日的公关,但我相信有朝一日它们一定会来到我们面前。

    今年10月23日,国家主席习近平在访问英国期间访问参观了曼彻斯特大学国家石墨烯研究院,这正是发现石墨烯的地方,在这里中英双方确定将在石墨烯领域展开合作研究。中国是石墨大国,目前也具有大量参与石墨烯研究的团队和企业,小编真切希望中国可以抓住这次机遇,开发生产出世界最好的石墨烯产品,实现真正的“弯道超车”。

关键字:中国  石墨烯  装甲  国防

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/1201/article_9094.html
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