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神奇石墨烯有望成航天新寵

浏覽量:   來源:http://www.hyydn.com  作者:輝暖商貿

石墨烯,這個讓大部分人都感到陌生的名字,卻是全球科學家都在競相研究的課題。它是由碳六角網狀構成的二維平面材料(即單層石墨層片),其家族還包括石墨烯衍生材料,即以石墨烯為功能體與其他材料複合或在其他材料輔助下形成的材料。用更通俗的說法就是,這是一塊有望讓“薄得像紙一樣的透明手機”、“1分鐘充完電的電池”、“像襯衣一樣的防彈衣”等科幻産品變成現實的“點金石”。

神奇石墨烯有望成航天新寵

石墨烯看上去是材料界的“新生力軍”,其實它是飽經滄桑的“老者”。說其古老,是因為石墨烯一直作為天然石墨(尤其是鱗片石墨)的基本單元而廣泛存在于自然界中,已經有上萬年的曆史。讓石墨烯煥發年輕活力的是曼徹斯特大學的科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫。2004年,他們将其作為一種材料的概念分離出來,發現石墨烯是目前唯一的能夠單獨存在的二維晶體材料,兩人因此還獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

石墨烯非常薄,被認為是世界上最輕的材料,具有極大的強度、導電性、導熱性等性能:石墨烯的強度高達130季帕,比最好的鋼材還要強上百倍;彈性很好,拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。石墨烯的硬度比莫氏硬度達10級的金剛石還要高,但卻又有很好的韌性,可以彎曲。此外,石墨烯是世界上導電性最好的材料,電子在其中的運動速度達到了光速的1/300,遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。石墨烯的熱導率也非常高,是世界上導熱性能最好的材料。

神奇石墨烯有望成航天新寵

石墨烯将成為航天的寵兒

石墨烯優異的性能決定了其具有廣泛的應用價值。石墨烯目前最有潛力的應用是代替矽制造超微晶體管,用來生産超級計算機。據分析,用石墨烯制備的計算機處理器的運行速度将會提高數百倍。這種超級計算機可以為航天飛行器力學、流體、氣動、材料等計算提供更為高效的技術手段,提高飛行器設計、材料研發的進程。

此外,利用石墨烯材料生産具有超高導熱特性的柔性薄膜,這種材料可以用于航天飛行器儀器艙高功率電子器件部位的熱管理系統,用于控制關鍵電子器件的工作有效性。

神奇石墨烯有望成航天新寵

将石墨烯材料加入塑料、複合材料、金屬等材料中,可以大幅提高現有材料的力學性能、熱物理性能,從而為航天飛行器的輕質化或高載荷化提供高性能材料。利用石墨烯和碳納米管形成的新型超輕質泡沫材料,作為航天溫控系統熱耗散型相變儲能用高導熱骨架材料也具有一定的應用潛力。

另外,石墨烯材料在大容量快速充電锂離子電池、超級電容器、光電傳感器、柔性觸摸屏、基因測序、超堅韌防彈衣、光調制器、太陽能電池、光驅動等領域也得到了應用開發,均獲得了可喜的成果,一些研究成果也可以為航天提供直接或間接的應用。

前景廣闊但還未成熟

石墨烯材料作為一種“全能”材料所表現出的各種超級性能,為人類探索科技極限從理論走向了現實。大規模的石墨烯開發和應用必将極大改變我們的現有認知,對電子、能源、材料、航空、航天、機械等諸領域将産生深刻影響。

神奇石墨烯有望成航天新寵

雖然石墨烯材料應用前景廣闊,但它的應用開發才剛剛起步,諸多關鍵問題(如大面積、高質量石墨烯制備問題、石墨烯快速高效轉移問題等)還有待解決。

總之,石墨烯材料前景廣闊,人類仍然在啟程的路上,石墨烯材料應用将引領以航天為代表的諸多技術擁抱更美好的明天。