神奇粉体石墨烯助力铝合金

石墨烯具有独特的二维结构、高强度、高导电性能和高导热性能等超强的力学和功能特性，被认为是最理想的复合材料增强体，坊间有戏言，称其“除了不能吃，石墨烯可以用于一切领域，一切产品中”。有专家甚至认为，未来10——20年石墨烯将引发一场技术革命。

通常金属基复合材料都是以包括颗粒、晶须、纤维等形态的陶瓷相作为增强体，在金属基体中引入均匀分散的纳米级增强体粒子，所得到的金属基复合材料往往可以具有更理想的力学性能及导电、导热、耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性能。

由我国自主研发的铝基石墨烯复合材料——烯铝合金架空导线，相对于传统材料导电率不降或微降的前提下，大幅度提升材料抗拉强度，克服了抗拉强度与导电率的矛盾关系，使得中国在石墨烯应用于金属领域的发展道路上迈出了关键一步。

目前，中天科技已在工业化连铸连轧生产线上成功试生产。新疆众合与深圳前海烯汇材料科技合伙企业及河南省远洋粉体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开发“石墨烯铝合金导线杆材”，推广石墨烯铝合金导线杆材。

神奇石墨烯助力铝合金

众所周知，铝合金具有低密度、高强度和良好延展性，但是铝合金作为结构材料，受到导电性和抗拉强度的制约，电缆行业“以铝代铜”的进展并不乐观。因此，如何提高铝合金强度一直是研究者的主攻方向。在铝合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳纳米管制备铝基复合材料来提高合金强度成为学者们研究方向。而石墨烯具备优异的力学性能、热学性能和电学性能，是制备金属基纳米复合材料最为理想的增强体之一。

然而，如何将石墨烯纳米片均匀分散到金属基体中，同时使石墨烯和金属间形成良好的接触界面且不破坏石墨烯的微观结构成为研究中的重点难题。铝基石墨烯复合材料解决了石墨烯与基体金属的润湿性、石墨烯与基体金属的界面结合强度、石墨烯与金属基体的界面明确、石墨烯在金属基体中的形貌和分散均匀性可控等技术难题。铝基石墨烯复合材料杆材抗拉强度提升范围25%——50%，达到国内外先进水平。铝基石墨烯复合材料杆材，带来更高的产能、更低的成本，对该复合材料未来的产业化推广进程具有重要意义。

目前，行业内已掀起石墨烯淘金热，日、韩、德、英等国家也都把石墨烯材料及产品定为未来革新产业之一，投入巨资推动石墨烯研发和商业化应用研究。铝基石墨烯复合材料，在石墨烯的助力下，铝材用量可以进一步减少，实现更大程度的轻量化，其经济和社会效益十分显著，“以铝代钢”成为现实。铝基石墨烯复合材料产品的工业化生产及应用，推动了我国石墨烯复合材料的发展，点亮了石墨烯大规模产业化前行之路。

石墨烯到底是什么？实验室里走出的“多面娇娃”

石墨烯虽然一度被科学家认为不可能在有限温度下单独稳定存在，然而它的诞生就像是“捅破一层窗户纸”――实验室里，科学家通过一种简单易行的机械剥离法，从石墨表面剥离出石墨片，然后把石墨片两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带将其一分为二，如此重复操作，就使石墨片变得越来越薄，直到最后“撕”成由一层碳原子构成的薄片，石墨烯就这样诞生了。真是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫。”

由于石墨烯是由一层碳原子构成，因此它又被称为单层石墨，其原子排列与石墨的单原子层相同，是一个按六边形蜂巢结构排列形成的二维平面晶体。从广义上来说，有时层数小于10层的石墨也可称为石墨烯。

石墨烯如同是一个“多面娇娃”，具有一般材料所不具备的众多优异性能，它占据着太多的材料世界“之最”。

它的理论厚度只有0.34纳米，仅为头发丝的20万分之一，是目前世界上最薄的材料；1毫米的石墨薄片，居然能剥离出多达300万片石墨烯，1克石墨烯可以覆盖一个足球场，它是目前世界上最轻便的材料；它的强度为优质钢的200倍、钻石的2倍，毫无疑问，它是目前世界上强度最优的材料，如果把一片像食品保鲜膜一样的石墨烯覆盖在一只杯子上，想用一支铅笔戳穿它，需要一头大象的重量压在铅笔上。

在石墨烯内，碳原子就像细铁丝网围栏一样排列，其对可见光的吸收只有2.3%，近乎是透明的。这种结构也使得它十分柔韧，即便大角度弯曲也不会断裂，因此它是最柔韧的材料。

此外，它还具有电阻率最低、热导率最高、吸附性很好、过滤性很强等其它材料望尘莫及的优越性能。

正是因为石墨烯拥有非同一般的神奇特性，科学家预言它将彻底改变21世纪，有望掀起现代电子科技领域一场新的革命。

“石墨烯+”引发产业变革

这种用胶带“撕”出来的小小的石墨烯，在带给两位科学家诺贝尔奖荣誉的同时，迅速在世界上激起了巨大波澜，引发了全球的研发热潮，近年来在许多领域催发出突破性的进展，很多神奇特性不断被发现，作用机理不断被破解，应用潜力不断被挖掘，由此引发了一场“石墨烯+”的产业变革。

石墨烯诞生于石墨，储量丰富、价格低廉，它独特的二维晶体结构和诸多物理、化学、生物学等特性，使它迅速呈现出广阔的应用前景，其研发成果已开始进入人们的生活。

科研人员运用石墨烯的超大比表面积和优越导电特性，多种基于石墨烯的储能设备已相继问世，突破了现有电池容量小、充电时间长的瓶颈。2011年11月，美国西北大学的研究团队研发出一种采用石墨烯和硅材质的电动汽车电池，充电量比以前增加了十倍，充电15分钟可以实现约一周的续航能力。

2014年2月，我国中科院金属所研发出一种石墨烯锂硫电池，储电能力达到目前锂电池18倍以上，与目前电动汽车的电池相比，电池重量下降90%以上，一次充电不超过10分钟，巡航里程超过450公里，每公里成本下降4/5，电池寿命超过30年。这些新型电池不仅在民用领域大有作为，在各种军用设备特别是无人飞机、单兵携带电源等方面发挥重要作用。

石墨烯超薄、超轻、超强、超韧性、超过滤性和超透光性等特点，是研制轻型战机、航天器、激光武器、核武器和维护保障等装备的重要材料，也可用于防弹衣、装甲车辆、防御工事等新型高性能军事装备，在减轻重量的同时提高其防护能力。

只有人类共同努力，积极克服所有这些困难和障碍，石墨烯的很多应用才能梦想成真，才能发挥出更大的潜能，从而真正成为改变世界的一种“万能”材料。

整理：ChemicalBook中文编辑部

编辑人员：娜米