石墨烯航空的应用

摘要：石墨烯是从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，是由单层六角原胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体。石墨烯具有超薄、超高强度、导电性、室温导热和透光性，结构稳定等优点，是推动航空高技术发展的关键材料，发展前景巨大。

关键词：驰飞超声波；超声波纳米制备装置；石墨烯；航空

材料科学为空军所有系统提供基础，未来在电子材料、光学材料、磁性材料等方面将出现较大进展，如纳米光子学与等离子体学的结合将使器件密度和处理速度呈数量级递增。此外，量子计算机和冷原子导航系统的发现发展也将以材料学进步为基础。未来15年，材料学仍将进一步支持小型化和降低成本，满足设计的日益复杂性。其中，石墨烯、碳纳米管以及超材料的制备将是备受关注的领域。石墨烯在航空领域潜在的应用方向有：功能材料、结构部件和储能器件，本文以功能材料为例对其进行分。

目前各界人士将石墨烯视为振兴航空工业的法宝。在结构材料方面，完整的石墨烯结构具有很高的抗拉强度和弹性模量，分别达到130GPa和1.0TPa，同时经化学还原的单层石墨烯的弹性模量为0.25TPa。因此在高分子材料中加入少量的石墨烯就能显著地提高高分子材料的抗拉强度和弹性模量。

通过开发石墨烯上浆剂，将石墨烯引入碳纤维复合材料界面层，抑制界面层中裂纹的萌生，从而可大幅提高碳纤维复合材料的强度和韧性，扩大其应用范围。当铝基复合材料中加入10%以上石墨烯时，石墨烯铝基复合材料可制备具有轻质、高模量、高强度的高性能结构材料，广泛用于直升机桨毂以及目前铝基复合材料研发所瞄准的各类飞机结构。

由此可见，石墨烯在航空领域的应用具有诸多优异特性，但是开展实际应用的前提是发展大规模、大面积、结构与性能可调控、低成本的批量化石墨烯制备技术，并把它转移到合适的衬底上。虽然目前，石墨烯材料制备可在实验室实现，但成本居高不下，且存在质量和尺寸问题，需要继续寻找理想的制备方法。

近年来，超声波因其操作简单、易于控制、周期短、效率高等优点已在纳米材料的制备方面日益受到重视，多年来致力于超声波技术发展的驰飞超声波通过多年实验理论研究，终于在前不久研发出可用于工业化生产石墨烯的超声波纳米制备装置。这一超声波纳米制备装置的作用机理源自于超声波空化效应。超声波空化是指液体中微小气泡的形成、生长、崩溃及其引起的物理、化学效应。在气泡的崩溃过程中可以释放出巨大的能量，产生速度高达110MPs的微射流，具有强烈的冲击力。空化气泡在爆炸的瞬间可以产生高达5000K甚至10000K以上和100MPa以上的局部高温高压环境，其加热和冷却速率超过1010KPs。这些条件足以使石墨化学键断裂，促进石墨烯生成的反应速率，控制石墨烯的尺寸和分布。

驰飞超声波研制的超声波纳米制备装置为石墨烯产业化发展提供了新思路，随着超声波技术在石墨烯行业的普及和下一代飞机和发动机的发展，在不久的将来，可以形成石墨烯规模化生产和应用。

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