最近，在一篇由英國航空研究所(ATI)和曼切斯特大學(xué)國家石墨烯研究院(NGI)聯(lián)合發(fā)表的論文中，研究人員指出，石墨烯的應(yīng)用有可能給航空航天領(lǐng)域帶來顛覆性的變革。

2004年，曼切斯特大學(xué)的兩名科學(xué)家在用膠帶清理一塊石墨晶體時，發(fā)現(xiàn)他們在膠帶上分離出了一層碳原子。石墨烯由此誕生。至此以后，石墨烯因其驚人的特性引發(fā)了科研界的密切關(guān)注。石墨烯的強度是鋼的200倍，不僅具備優(yōu)異的柔韌性，還是絕佳的導(dǎo)電體。

石墨烯因其驚人的特性成為了科研界的關(guān)注焦點。石墨烯的強度是鋼的200倍，不僅具備優(yōu)異的柔韌性，還是絕佳的導(dǎo)電體。研究人員相信石墨烯將引發(fā)航空航天領(lǐng)域的材料革命。

曼切斯特大學(xué)的科研人員表示，這種二維材料有望幫助改善飛行器的性能、降低造價、提高能效。如果在當(dāng)前的飛行器制造材料中添加只有一個原子厚度的石墨烯，那么飛行器的安全性將顯著增強，其它性能也將明顯改善。如此一來，還能實現(xiàn)機身輕量化和節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

該篇論文發(fā)表于ATI的《INSIGHT》期刊，前言由理查德·布蘭森爵士親自撰寫。文中寫道，“石墨烯有望解決航空航天領(lǐng)域中一些由來已久的挑戰(zhàn)，繼而引發(fā)行業(yè)革命，成為未來航空航天技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵動力。我們需要大力開展石墨烯相關(guān)科研技術(shù)項目，加深國內(nèi)對石墨烯優(yōu)點的認識，為我國航空業(yè)的發(fā)展做出實質(zhì)性貢獻。”

石墨烯研發(fā)的最新進展

石墨烯近來的迅猛發(fā)展讓這一材料成為了關(guān)注焦點。

二月，日本東北大學(xué)和名古屋大學(xué)的科研人員成功研制出兩種新型三層石墨烯。這兩種新材料均由三層石墨烯組成，但堆垛方式和導(dǎo)電性不同。這一成果將推動光電轉(zhuǎn)換光伏電池等新型電子設(shè)備的研發(fā)。

石墨烯的碳原子呈六角形蜂巢晶格狀分布，有兩種常見的雙層堆垛方式：一是AA堆垛，即上下兩層緊密重合;二是AB堆垛，即上下兩層之間存在一個碳原子的距離。這兩種堆垛方式目前已成功實現(xiàn)。如果加上外電場，AB堆垛雙層石墨烯便會成為半導(dǎo)體。

相較之下，三層堆垛很難實現(xiàn)。日本科研人員用兩種特殊方法加熱碳化硅，終于成功制備出了兩個三層石墨烯樣品。

科研人員將碳化硅在加壓氬氣和高真空中分別加熱到1510℃和1300℃，再噴上氫氣。氫氣中的氫鍵破裂，形成單層氫原子，最后結(jié)合形成三層石墨烯。

在加壓氬氣中加熱的碳化硅呈ABA堆垛，即上下兩層重合，中間層錯開。而在真空下加熱的碳化硅則呈ABC堆垛，即每層稍微錯開。

研究人員在檢測兩個石墨烯樣本的物理性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)兩者的導(dǎo)電性是不同的。

ABA堆垛的樣品和單層石墨烯相似，都是極佳的導(dǎo)電體。而ABC堆垛的性質(zhì)更接近于AB堆垛雙層，具有半導(dǎo)體特性。

本月，新加坡國立大學(xué)的一個科研小組又發(fā)明了新的石墨烯制備方法，所用的溶劑量是現(xiàn)行方法的1/50，為大規(guī)模、可持續(xù)合成打開了大門。

傳統(tǒng)的石墨烯制備方法是利用剪力剝離石墨，再將其置于大量溶劑中，(比例為一千克石墨烯兌近一噸有機溶劑)，這就產(chǎn)生了生態(tài)可持續(xù)性問題。如果減少溶劑，石墨烯層又會重新吸附到石墨上。

新的制備法是在高堿性環(huán)境下剝離預(yù)處理后的石墨。石墨烯在堿性環(huán)境下會發(fā)生絮凝，無需增加溶劑就能使石墨烯層聚集形成石墨烯漿料，接著把漿料分離成更常用的單層石墨烯即可。

新制備法通過引進靜電工藝，成功防止了石墨烯片層的重新吸附。此外，石墨烯漿料是一種具有海綿狀結(jié)構(gòu)的超輕材料，也可直接用作3D打印的導(dǎo)電氣凝膠。

前進的道路

曼切斯特大學(xué)Graphene@Manchester公司CEO James Baker在評論這篇發(fā)表于《INSIGHT》的論文時表示，“航空航天領(lǐng)域的重要進步歷來都是和新材料的應(yīng)用有關(guān)。鋁材和碳纖維讓飛機更快、更環(huán)保、成本更低、功能更強大。現(xiàn)在，石墨烯和相關(guān)的二維材料將引發(fā)下一場變革。”

“在現(xiàn)有的飛機制造材料中加入石墨烯，將改善飛機的許多關(guān)鍵性能。多功能石墨烯的應(yīng)用和產(chǎn)學(xué)研合作的加深將為下一代航空技術(shù)的加速發(fā)展提供契機。”

與此同時，中國和英國也已在石墨烯研發(fā)領(lǐng)域建立了深層合作關(guān)系。中國目前是最大的石墨烯制造國，英國則是全球石墨烯研發(fā)中心。中英兩國的航空業(yè)目前都處在關(guān)鍵發(fā)展時期，英國政府力圖振興歷史悠久的航空業(yè)，而中國正在崛起成為全球商業(yè)中心和技術(shù)高地。

石墨烯顛覆航空航天行業(yè)，或?qū)⒅溉湛纱?

作者：William Kucinski

來源：SAE《航空工程》雜志

翻譯：SAE 中國辦公室