石墨烯力学特性在国防领域的应用有哪些

石墨烯是碳的结晶形式之一，类似于金刚石和石墨的晶体结构。石墨烯是目前人类已知的强度最高、质量最轻、导电性最佳的材料之一。

单个石墨烯片内碳原子之间的强共价键使其具有出色的面内力学性能， 在相同厚度下，石墨烯的断裂强度比钢高100倍以上。而层状结构中相邻石墨烯片之间的范德华力相对较弱，因此石墨比金刚石软得多。

石墨是良好的热导体，自由电子则赋予石墨较高的面内导电性。

石墨烯强度很高，根据原子力显微镜基于悬浮石墨烯的压痕实验得到的单个石墨烯片的弹性模量 约为1Tpa，断裂强度约125Gpa，远高于大多数结构材料。

这些与众不同的特性也赋予石墨烯很多不同寻常的应用。

随着现代化军队对建设高科技军事平台和军事人员能力的要求，很多方面都需要引入高科技元素， 以使部队具有更强的战斗力。不论是军事平台的轻型化设计，可使平台具有更好的 机动性、灵活性，并降低燃料消耗，携带更多的弹药， 从而提高生存能力和战斗能力，还是让普通士兵负载轻型化，对提高部队的灵活性、机动性，石墨烯都大有可为。

本期与大家一同探讨石墨烯的力学特性在国防领域的应用：

结构材料

近几十年来，由于燃料成本上升，资源消耗迅猛，对陆军车辆、海军舰艇和飞机的轻型化已经日益迫切，因为这样不仅可以降低燃料消耗，而且可以改善车辆运输能力，增加负载量，增强战斗能力，纳米复合材料可以满足上述要求。对于纳米复合材料，采用少量纳米分散剂，就可以达到传统材料填料高达15%-40%同样的结构性能。而且，添加多功能纳米分散剂甚至可以满足抗雷电和反雷达性能。当纳米粒子较好地分散于给定基质时，复合材料性能既优于填料本身的性能，也优于基质本身的性能。将纳米粒子用于多种基质，可以创造具有多种功能性的、轻型的高强度纳米复合结构材料，应用于陆海空天等多种军事平台。

装甲材料

传统使用厚重的钢制装置来保护移动运输军事平台如坦克、轮船等。然而，这造成结构沉重，从后勤角度，将这类沉重的军事平台运输到战场，无疑会牺牲速度和机动性。通常，应用装甲来保护受到攻击的军用车辆和人员。军用车辆的装甲常用高强度金属如特种钢和铝合金。但这些附加质量使车辆更笨重，使车辆的性能－质量比较差。陶瓷和复合材料是优选的低密度材料，可以抵抗弹丸或者爆炸波的冲击，而不用牺牲性能－质量比。

纳米结构材料，特别是纳米复合材料，为发展更轻、更强、更柔韧、环境更稳定的军事平台（包括坦克、喷气式战斗机、便携式微型无人机等运输工具等）的轻型装甲提供了新的可能性。纳米材料独具大量力学、光学、电学、磁学和化学特性，使制备的平台具有多功能性，比如适合各种环境条件，抵御自然或人为灾害造成的各种冲击等。纳米材料作为添加组分，与陶瓷或纤维一起使用，应用于聚合物或金属基质，对于制造轻型和高强度飞机极具意义。石墨烯便是其中重要的一种添加剂。与未增强的金属和合金相比，石墨烯增强的金属基质纳米复合材料具有更高的比强度和硬度、更高的应用温度、更优的耐磨性能，还可在一定范围内调整这些性能，使其有机会应用于车辆装甲。

透明装甲

光学透明的装甲通常用于保护行驶车辆中的重要人物免于遭受爆炸或弹丸攻击。这种材料用于陆地或空中交通工具的窗户或者防风板、水中舰艇的保护观察窗，及重要人物的安保车辆等；对于非战斗用途，也可用于包括防暴人员或者处置爆炸装置的人员等。透明装甲还可以根据用户需求进行特制。透明装甲最重要的需求是其对于多种攻击的防护能力，同时，能够没有任何变形地观察周围空间各种形势的变化。对于陆地和空中平台，透明装甲的重要参数包括质量、成本、透明度等。此外，透明装甲面板也适应于夜视设备。

热塑性和热固性聚合物比如聚碳酸酯、聚丙烯酸酯和聚氨酯均为有吸引力的防弹玻璃材料，因为它们透明性好、抗裂纹蔓延能力强，并在子弹穿过处可以融化并重新封口。其中，聚氨酯显示出继续保持透明性和捕获弹丸的能力。利用聚氨酯这种优异的性能，已经开发出石墨烯增强聚氨酯，这种材料具有重要的潜在应用价值，可制备成透明多层复合装甲，用作军用车辆及其他执法车辆的挡风板和窗玻璃。弹丸模型研究表明，含有石墨烯层和聚氨酯层（5层聚氨酯和5层石墨烯）的复合材料与同样厚度的聚氨酯相比，会导致弹丸动能降低32%。设计和模拟研究表明，冲击后的光学透过率也有改善。石墨烯－聚氨酯复合材料的这些突出特性，使这种材料成为非常有前景的轻质低成本透明装甲。

身体防护设备

使用轻型的头盔、防弹夹克、西服、靴子等人员防护设备，对于减轻士兵的后勤负担，而不影响这种设备对爆炸和各类弹丸攻击的防护至关重要。当前，针对纳米材料的主要研发重点是制造轻质防弹衣。

在过去的10余年中，石墨烯已经成为最杰出的纳米材料。它已经成为各种电子和机械方面应用的最神奇材料。在600M/S的子弹速度下，多层石墨烯的比穿透能，即抗动能穿透的能力比宏观钢板高约10倍。由于石墨烯的层状结构由二维碳晶格构成，因此具有多层结构的石墨烯是一种特殊的各向异性材料。子弹一旦击中，将拉伸为圆锥形，然后开始出现径向裂纹，这些裂纹大致沿晶体学方向延伸，并向外延伸超过冲击区域。碳纳米管和石墨烯本身都具有阻止高速子弹的能力，将它们结合在一起可以制造出更坚固的防弹材料。最近，石墨烯和碳纳米管的复合材料已经证明比蜘蛛丝和凯夫拉纤维都强。此类织物在世界各地还都处于概念验证阶段，预计该产品不久将上市。

配备前后装甲板的传统中型防弹衣重约14kg，而新型石墨烯防弹衣及纳米头盔，士兵负重整体减重可超过6kg。

结语

综上所述，在国防领域的多个方向，石墨烯的潜在应用已经崭露头角，并且制得的先进材料的某些性能已经体现出了颠覆性的优势。由于石墨烯的高强度，作为增强材料，石墨烯可用于多种军事平台的结构材料、装甲材料、身体防护设备等，制得的复合材料优于目前已知的所有增强材料的效果。

作为当今备受关注的前沿新材料之一，国际上很多国家也高度重视石墨烯产业发展，从战略层面对石墨烯进行布局。我国石墨资源丰富，在此领域更是具有先天优势。因此，制定石墨烯产业发展总体规划，形成石墨烯整体研发战略，合理规划、科学布局，培育一批石墨烯的领军研究团队和领军企业， 对石墨烯在国防领域的规模应用意义深远。

编辑：黄飞