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石墨烯的国防应用

石墨烯的国防应用

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  • 来源:网络
  • 发布时间:2023-03-24
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【概要描述】如果说要在 21 世纪过去的 20 年选择一种最具代表性的颠覆性材料,恐怕非石墨烯莫属。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。2004 年,曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·格莱姆(Andre Gleim)和利斯蒂亚·诺沃塞洛夫(Kostya Novoselov)通过非常简单的方法制备了石墨烯,短短 6 年后,就于 2010年被授予诺贝尔物理学奖。

石墨烯的国防应用

【概要描述】如果说要在 21 世纪过去的 20 年选择一种最具代表性的颠覆性材料,恐怕非石墨烯莫属。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。2004 年,曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·格莱姆(Andre Gleim)和利斯蒂亚·诺沃塞洛夫(Kostya Novoselov)通过非常简单的方法制备了石墨烯,短短 6 年后,就于 2010年被授予诺贝尔物理学奖。

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       石墨烯实质上是石墨的单原子层,一维性纳米尺度是其重要特征。石墨是碳的 sp’杂化形式,每个碳原子仅包含 3 个键第四个价电子处于离域状态。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。石墨烯的电子能带结构中,电子带隙为零,表现出半金属性质,费米能级的局部状态密度也为零并且只有通过电子的热激发才可能传导。

  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。例如,军事平台如坦克、飞机、战舰等轻型化设计,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;目前一线作战的军事人员执行任务时要携带 45~55kg 的负载,有时甚至在 55kg 以上,包括制服、步枪、弹药、电子设备(夜视设备、通讯设备、智能手机、平板电脑、GPS定位装置等)、靴子、绑带、装有给养的背包、备用衣物(袜子、内衣等)、个人物品(牙刷、剃须用品、杂物箱等),以及士兵可能需要的其他物品。不论是短期还是长期,这种过重的负载对于士兵的健康,以及行动效率都是不利的。当处于恶劣的环境条件下(例如恶劣地形地势、高温和潮湿环境等),携带超负荷的士兵的机动性尤其受到影响。如果长期处于超负荷状态,对士兵的心理和身体健康更会产生不利影响。因此,使士兵负载轻型化,对提高部队的灵活性、机动性至关重要。这就要求尽量采用新型的轻型材料,减轻士兵负载而不牺牲其他性能,甚至提高原来负载所具有的性能;未来的战斗物联网,需要士兵携带轻便、可折叠的显示设备,石墨烯同样大有用武之地。

石墨烯的力学特性在国防领域的应用

1.1 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(体积比 1%~5%),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。

1.2 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。

  由子弹、火箭、导弹造成的冲击波和爆炸破片是对陆地车辆及对人员严重伤害的主要毁伤源。通常,应用装甲来保护受到这些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铅合金。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。

  石墨烯高达 125GPa 的断裂强度使其成为理想的铝基增强材料。在铝基质中仅仅加入 0. 3%(质量分数)石墨烯,就会使纳米复合材料具有 256MPa的拉伸强度和 13%的断裂伸长率,与未增强的纯金属铝(154MPa,断裂伸长率 27%)相比,拉伸强度提高了 62%,断裂伸长率降低了一半。13%的断裂伸长率使这种材料的可加工性符合相关的工程应用标准。

       此外,石墨烯基金属基质纳米复合材料具有多方面的优势,包括:与其他纳米材料相比,石墨烯批量生产成本相对较低,强度和硬度更高,分散性更好等。

1.3 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醋、聚丙烯酸醋和聚氨醋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,聚氨醋显示出继续保持透明性和捕获弹丸的能力。利用聚氨醋这种优异的性能,已经开发出石墨烯增强聚氨醋,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醋层(5 层聚氨醋和 5 层石墨烯)的复合材料与同样厚度的聚氨醋相比,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-聚氨醋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。

1.4 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。要去寻找独属于海边的浪漫,晚霞记录我们的心照不宣;也要去感受稻城的情怀,去看看这最后一片净土。

石墨烯的其他特性在国防领域的应用

2.1 隐身材料

  石墨烯是纳米碳化合物的另一个主要代表物具有非常好的微波吸波特性。继还原氧化石墨烯在丁睛橡胶基体中的复合材料的微波吸波特性的合成和研究被报告之后,就有大量文献报道了在宽频率范围(2~18GHz)内石墨烯与金属氧化物复合材料具有微波吸波特性。

  与涂覆雷达吸波材料相比,雷达吸波结构是首选,因为它具有吸收雷达波的能力,同时具有结构材料的气动稳定性和承重机械强度。采用雷达吸波结构,可以有效地减少飞机、军舰和导弹等军事目标的雷达截面,这也将有助于抑制其附近以高频运行的电子设备发射的伪辐。

  典型的雷达吸波结构包括达伦巴赫吸收体和电路模拟吸收体。达伦巴赫吸收体是将损耗能量的材料分散在某些基质中得到的,损耗能量的材料包括碳衍生体系材料,如炭黑、石墨烯、单壁和多壁碳纳米管、铁氧体和其他金属磁性材料等。电路模拟吸收体由导电材料制成,或者包括用于在特定的基底上印刷结构和图案的石墨烯导电油墨[20]。E玻璃纤维复合材料与双层频率选择表面结合有可能是一种很好的吸收剂,对于厚度为 3. 5mm 的薄板结构,在 8~18GHz 范围内吸收大于 10dB。通过采用纯E玻璃纤维织物/环氧树脂复合材料层压板作为第一层和第二层碳纳米材料,例如碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维等,可优化设计 X 波段的达伦巴赫型双层宽带雷达吸波结构。一种由凯夫拉(Kevlar)/石墨烯/环氧树脂复合材料组成的单层雷达吸波结构(RAS),以铜薄膜作为背板或反射面被报道当 RAS 厚度为 2.12mm 时,12~18GHz 的回波损耗大于 10dB。由于该厚度比规定的设计值薄,谐振频率偏移到更高的频率,并在 12~18GHz 范围内实现了吸收大于 10dB、带宽大于 5dB 的效果22负载供电设备。

2.2 负载供电设备

  如今,一个士兵基本需要 60 节 AA 电池,来给大量的电子设备供电,例如通讯设备、传感器或手持计算机,以了解战场的实时情况,这些电池重约 4kg或更多,有时在执行 72h 任务中,电池质量甚至会超过10kg。士兵由于携带沉重的电池而难免超负荷,在效率和安全性方面极为不利。从可再生能源中获取电力,以及从高能量密度轻质电池中获取电力,是两个可行的发展选项,可部分替代甚至完全替代较重的鲤离子电池。能量收集系统涉及光伏设备,收集太阳能、废热和动能,并将其转换为电能。士兵本人可以充当 3 种能量的来源,例如体热、肌肉力量作为应变能、肢体运动作为动能等 。纳米技术和纳米材料具有巨大的潜力,可以通过能量产生装置形成能量收集系统,例如将来自人体运动(动能)、太阳(太阳能)以及烹饪(热能)时火焰传递的能量进行转换,从而消除随身携带电池的需要。

  目前,减少当前士兵携带的 5~10kg 可充电锂离子电池质量可以说是当务之急。近年来,以纳米材料作为“活性”储能成分对锂离子电池电极材料改性,显著地提高了电化学性能,同时又减轻了质量这种变化的主要原因是锂离子的扩散长度较短,以及电极与电解质之间的表面接触面积非常大。

  据报道,石墨烯是用于修饰锂离子电池阴极的理想材料,其另外一个优点是可制造柔性薄膜阴极。此外,由于石墨烯的双重用途,以氧化锡纳米粒子改性的石墨烯结合集电器,具有很高的阳极容量和电化学稳定性。这种基于纳米材料的锂离子电池具有很大的潜力,可用来制造可穿戴的轻便型电力存储设备,从而减少充电,非常适合军队人员的需求。

  传统的热电材料转换效率不能满足实用要求新兴的纳米技术和纳米材料解决了这一问题,这直接催生了可穿戴热电设备。纳米结构材料具有优异的导电率和非常低的导热率,能量转换效率高。这种基于纳米材料(如石墨烯)的设备可将太阳能或者热能有效吸收。韩国研究者设计并制造了这种设备[20],并将其集成到衣物中,将人体生成的热转化为电能。通过这种设备有望将士兵的电池负重降低4~5kg。

2.3 智能衣物

  智能衣物就像智能型皮肤,除了能感应和做出反应外,还能适应给定的环境条件或刺激。这类纺织品的行为就像人类的大脑一样,具有认知、推理和激活能力。随着与纺织品有关技术的融合,先进的材料、传感器、致动器、信息处理和人工智能以及生物技术使非常智能型纺织品成为现实。

  纳米相变、显色和光纤以及小型化的电子产品的应用,促使纺织品更智能。这些材料可以采用纺丝、纱线/织物形式或精加工等方法掺入纺织品中。因此,纳米材料由于具有高比表面积和量子尺寸效应以及独特的电子和光学特性,促使其大大推动智能纺织品的发展。

  在保健、运动和休闲以及军事应用等各个领域人们非常希望获得大量智能纺织品,例如增温或降温纺织品、导电纺织品、具有通讯功能的纺织品、带有传感器和执行器的纺织品、具有数字化功能的衣物、具有环境自适应功能的变色纺织品等。这种智能纺织品除了基本特征,还会保持柔韧灵活、穿着舒适、对身体不带来任何过敏反应以及其他令人满意的性能,并且不会增加质量。

  智能衣物由于其先进的功能和性能,同时可为穿戴和使用它们的士兵提供更加优越的安全性,在军事领域正变得越来越普遍。智能衣物还可 以具有一系列不同的功能,比如先进的绝缘性能、防弹保护、防水,甚至具有健康监测、GPS 定位、传感和运动跟踪功能。所有这些功能都有利于军事行动,并更加容易地监测单个士兵的健康和位置情况。轻质碳纳米管、石墨烯和导电聚合物被认为是多功能智能织物(包括电源)中金属纤维的潜在替代品将纺织品与碳纳米管、石墨烯和富勒烯打印结合在一起,可以实现由薄膜晶体管、电化学传感器、超级电容器以及光伏电池组成的柔性电路,用于收集能量并为设备供电。这种带有内置电子设备的纺织品既可用于利用和存储能量的装置、探测传感器等,也可应用于风险管理(如化学、生物、放射和核战争方面产生的威胁)。此外,还可对这种纺织品增加功能性,以保护爆炸或者各种弹丸讲行的攻击。

2.4 战剂探测传感器

  从人类历史的发展来看,曾经出现过 4 种类型的武器,原始的、利用肌肉的武器,如木棒、刀、叉等;2利用动能的武器,如子弹、穿甲弹等;3种定向能武器,如激光武器、微波武器、粒子束等;大规模杀伤性武器,包括化学、生物、放射性和核武器(CBRN)。CBRN 这种武器除了造成人员伤亡和财产损失外,还会在敌人中制造极大的心理恐惧。基于纳米材料的装置在探测核辐射方面显示出潜力。例如,基于石墨烯的场效应晶体管(GFET)已可以检测伽马射线和 X 射线。GFET 器件通常由未掺杂的硅衬底组成,衬底上涂覆有绝缘体和石墨烯层 。暴露于电离辐射(伽玛或 X 射线)时,会在基板中感应出电场,进而导致石墨烯层的电阻发生可测量的变化。

2.5 净水装置

  当执行长时间的野外任务时,士兵常遭遇饮水危机,由于负重有限,很难携带足够数量的饮水。而对于野外水源,又难以判断水源是否被投毒,或者是否有大量细菌或者病毒。目前,基于石墨烯的膜材料已经被制备出来,通过简单的过滤,不论有毒、有细菌还是有病毒的水源,均可以直接饮用。也许在不久的将来,能够纯化水的小型设备会成为士兵的必备之物。

2.6 电子器件

  科技的发展日新月异,我们所处的世界,现在俨然成了技术驱动的世界,几乎所有的高新技术,都是军事应用先于商业应用。通讯设施是国防领域极其重要的基础设施。石墨烯的出现,使通讯设施中的电子器件发生了翻天覆地的变化。例如,频率可调范围更宽的纳机电系统、工作范围更大的场效应晶体管、储氢能力更强的燃料电池、探测更灵敏的气体传感器、存储能力更大的存储设备、耐温可高达 1X10°C、用于导弹和喷气式飞机有效控制部件的高温传感器、传输速率更快的调制器、优异的宽带可饱和吸收的激光器等,都闪现着石墨烯的身影。
  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。
  (1)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。
  (2)由于石墨烯独特的电子结构,将石墨烯用于多种电子器件如纳机电系统、场效应晶体管、存储设备、调制器、激光器、战剂传感器、气体传感器、高温传感器等,或用于负载供电设备、智能衣物等,可以颠覆性地改变这些器件或设备应用场景的态势。
  (3)此外,将石墨烯用于隐身材料、净水材料等.石墨烯也已经显示出了巨大的优势。
  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。

 

标题:石墨烯的国防应用

作者:张为鹏, 郭惠丽, 黄亚峰

 

文章来源:化工新型材料

《Nature

《Nature Portfolio》:多孔结构赋予石墨烯新的超能力

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