石墨烯的轻质高强特性和热、电性质，石墨烯还可用于军工隐身防护领域

随着纳米材料科学的飞速发展，碳家族不断添加新成员。1985年罗伯特·科尔等人制备出了富勒烯，1991年日本电子公司的饭岛澄男博士发现了碳纳米管。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中剥离出石墨烯。富勒烯、碳纳米管、石墨烯及石墨和金刚石构成了完整的碳系家族。

一石墨烯概述

石墨烯作为母体，可以分别通过包覆、卷曲和堆垛三种方式，得到零维的富勒烯、一维的碳纳米管和三维的石墨，图1为石墨烯与富勒烯、碳纳米管和石墨之间空间结构转换示意图。就层数而言，当石墨层堆积层数少于10层时，它所表现出的电子结构就明显不同于普通的三维石墨，因此将10层以下的石墨材料广泛统称为石墨烯材料。

图1石墨烯与多种碳材料

石墨烯集多种优异性能于一身，在电子信息、新能源、航空航天和柔性电子等领域展现了巨大的发展潜力。表1描述了石墨烯的各项优异性能及其可能的应用前景。

二石墨烯制备及改性技术

1、石墨烯制备技术

石墨烯的制备方法主要包括剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、化学还原法、电弧放电法、以及偏析生长法、自下而上合成法等方法。

（1）微机械剥离法：即胶带撕石墨。利用离子束在高定向热解石墨表面用氧等离子干刻蚀出宽20μm~2mm、深5μm的微槽，将其用光刻胶粘到玻璃衬底上，用透明胶带进行反复撕揭，后将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声。再将单晶硅片放入丙酮溶剂中，在范德华力或毛细管力的作用下，单层石墨烯会吸附在硅片上。通过原子力显微镜测量单个石墨烯薄片厚度可验证剥离法的可行性。

（2）化学气相沉积法：韩国成均馆大学纳米科学技术研究院、美国哥伦比亚大学、三星电子综合技术院在薄镍层上利用CVD方法，制备了直径达10cm的大面积石墨烯薄膜。美国得克萨斯大学奥斯汀分校在甲烷和氢的混合气中通过CVD在一定大小的铜箔上制备出石墨烯。

（3）外延生长法：在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层。美国宾州州立大学光电研究中心通过硅升华方法，在高温炉中热处理SiC晶片，得到1~2个原子层厚度的石墨烯。所用的SiC直径达100mm。

（4）化学还原法：石墨氧化物、石墨烯氧化物以及其他石墨衍生物都可作为前驱物通过化学还原的方法制备石墨烯。美国加州大学洛杉矶分校纳米系统研究所将氧化石墨纸置于纯肼溶液中，溶液将氧化石墨纸还原成单层石墨烯。

（5）电弧放电法：原料为石墨或氧化石墨；放电气氛为不活泼气体、H2、NH3或空气；放电方式主要以高电流和低电压的直流放电为主；产物石墨烯的层数小于10层，尺寸小于500 nm；在空气以及吡啶气氛下可以生成氮掺杂的石墨烯，在B2H6气氛下可以生成硼元素掺杂的石墨烯。电弧放电法制得的石墨烯一般具有较高的电导率和较强的抗氧化能力。

（6）偏析生长法：通常利用镍、钴、铜等普通金属中的痕量碳作为碳源，通过高温退火处理使痕量碳析出到金属表面，形成层数可控的石墨烯薄膜。目前已经实现了4英寸芯片水平的批量石墨烯生长，1~3层厚度可达80%以上。

（7）自下而上合成法：以芳香小分子为原料自下而上合成石墨烯往往为宽度约1nm的石墨烯纳米带。以10,10’-二溴-9,9’-二蒽为前驱体时，在200℃下脱溴便可在Au表面形成直线形的中间产物，在400℃脱氢环化便可得到直线形的具有扶手椅边缘的石墨烯纳米带。以6,11-二溴-1,2,3,4-四苯基三亚苯为前驱体时，可得到V形的石墨烯纳米带。通过改变前驱体的类型，脱卤并脱氢环化，能可控地得到多种结构的石墨烯纳米带。

2、石墨烯改性技术

由于完整结构的石墨烯由含稳定键的苯六元环组成，化学稳定性高，表面呈惰性状态，与其他介质相互作用较弱，且石墨烯各片层间存在很强的分子间作用力，片层极易堆叠在一起、难以分散开来，很难溶解于溶剂中，更难与其他有机或无机材料均匀地复合。因而改善石墨烯分散性及其与各种溶剂和材料的相容性成为扩展石墨烯应用领域巫待解决的问题。

另外，石墨烯具有零带隙的结构特点，打开石墨烯的能带间隙是其在电子和光电领域应用的前提。因此，为进一步发挥和改善石墨烯的性能，研究石墨烯的改性和功能化已经成为国际石墨烯研究的一个重要方向。目前已报道的改性石墨烯的方法大致可以分为四类：共价功能化、非共价功能化、掺杂和离子轰击。

（1）共价功能化：石墨烯的边缘部位和缺陷处具有较高的反应活性，在这些部位通过共价键连接一些适宜的基团是一种有效的表面功能化方法。制备过程中通过化学氧化方法对石墨烯进行酸化处理得到氧化石墨烯，石墨烯氧化物中含有大量梭基、羟基和环氧基等活性基团，可以利用这些基团与其他分子之间的化学反应对石墨烯表面进行共价键功能化。

（2）非共价功能化：可通过非共价键连接方法对石墨烯表面进行功能化，用π-π相互作用、离子键以及氢键等超分子作用使石墨烯表面得到修饰，从而提高石墨烯的分散性。由于石墨烯本身具有高度共轭体系，其易于与同样具有π-π键的共轭结构或者含有芳香结构的小分子和聚合物发生较强的π-π相互作用。

（3）掺杂：掺杂可完全改变半导体的基本特性，并有效控制半导体纳米晶体的光、电、磁学特性，直接促使高效率新型光电子器件的实现，为纳米晶体的广泛应用提供了巨大空间。该方法也可用来扩展石墨烯在光电子器件领域的应用，大量研究表明石墨烯掺杂是调控石墨烯电学与光学性能的一种有效手段。

（4）离子轰击：赋予离子一定的初始能量，使其轰击石墨烯靶材。轰击会导致石墨烯中缺陷(如空位、纳米孔、取代缺陷、吸收缺陷等)的产生。石墨烯中这些缺陷的存在会导致其电子运动状态发生变化，如，石墨烯中空位的存在会使其费米能级附近的电子状态发生根本性变化。

三石墨烯的军事应用

常所说的“石墨烯”一般是指层数少于10层的晶体石墨片，单层率（单层石墨片数量所占石墨片总数量的比率）越高石墨烯质量越好。从严格意义来讲，石墨烯及其产品可以分为：石墨烯、类石墨烯、石墨烯衍生物、石墨烯产品。

1、石墨烯产品

目前市场上的石墨烯产品按照其形态可以分为四类：

（1）单层或多层石墨烯构成的薄膜：石墨烯薄膜又细分为单晶薄膜和多晶薄膜，其中单晶薄膜可用于制造集成电路，但离产业化距离尚远；多晶薄膜可替代ITO玻璃用于制备触摸屏、太阳能电池和其他需要透明导电材料的应用领域。

（2）石墨烯粉体(石墨片在10层以下)：石墨烯粉体又可细分两种，一种是功能化的石墨烯粉体，由于含有含氧基团，可应用在药物、检测和催化剂等特殊领域；另一种是较为纯粹的石墨烯粉体，可应用于导电、导热、储能等多个领域。

（3）石墨烯纤维：石墨烯纤维是由石墨烯片沿一维方向宏观组装而成的新型碳质纤维。不同于以往的碳质纤维，石墨烯纤维的构筑基元是具有良好的导电、导热、机械强度等性能的二维晶体石墨烯，纤维的内部结构三维有序、致密均一，有潜力将碳质纤维的性能推向一个新阶段。能在多个领域发挥功能：多功能织物、轻质导线、能量收集及转换、可穿戴储能装备、柔性电子器件、神经信号记录微电极等。

（4）石墨烯浆料：少层石墨烯分散在浆料中，可以作为电池正极导电剂。石墨烯浆料稳定性较好，加入活性材料中易于电池混浆。与电池活性材料共混后，能够有效降低极片电阻率并提高电池的循环性能。

2、石墨烯的军事应用领域

石墨烯可应用到功能材料、光电器件、能源存储与转换、环境监测与治理中，在电子信息、新能源、航空航天和柔性电子等领域都展现了巨大的发展潜力。石墨烯的军事应用主要在军事电子领域、高效储能领域和军用材料等领域。

（1）军事电子领域

利用石墨烯的导电性和导热性能，代替硅、锗等材料，制成晶体管、集成电路，成为新一代电子元件，可用于超级计算机、雷达、通信设备等新型军用电子装备上。据报道，石墨烯器件制成的计算机速度比硅基微处理器高达1000倍太赫兹，在装备设计制造模拟、战场模拟、核爆模拟以及情报分析方面有重要意义。

利用石墨烯高抗压性和柔韧性能，可制作装备上的仪表盘、屏幕面板，尤其是柔性屏幕，不仅清晰度高、安全性好、而且重量轻、便于折叠与携带，在单兵作战系统、增强现实装置、军用可穿戴设备上优势明显。

石墨烯的透光性好，经过加工可获得高灵敏度的磁学、热学和力学特性，是制备新型轻薄传感器最有潜质的材料，如红外夜视仪等光电探测装备，也可以生产导弹用的非冷却红外导引头，大幅提高导弹的精度和毁伤目标的能力。

（2）高效储能领域

石墨烯具有超大的比表面积、优异的导电/导热性能以及良好的化学稳定性，是下一代理想碳质电极材料的的重要选择，在超级电容器、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池等高效储能领域具有重要应用前景。该领域制备石墨烯的主要方法是将天然石墨粉氧化成氧化石墨烯，再还原成还原氧化石墨烯，该方法对环境有污染，获得的还原氧化石墨烯会引入大量缺陷，从而影响电化学性能。因此，如何绿色大规模制备高质量石墨烯材料是目前面临的最大挑战。

将石墨烯（或还原氧化石墨烯）与其他电活性材料进行复合可以发挥协同作用，石墨烯的引入可以增强电极材料的稳定性，纳米粒子可以阻隔石墨烯片层的团聚，保持石墨烯片层的电化学活性。因此，通过对石墨烯材料（包括复合材料）的结构进行合理的构筑，以期获得材料最佳的电化学性能将是石墨烯材料未来在该领域中的一种发展趋势。

（3）军用材料领域

利用石墨烯超薄超轻，抗压力强的特性，其可广泛用于战机、航天器、无人机等装备上，也用于防弹衣、装甲车辆的新材料中，用于代替凯夫拉、芳纶等高性能材质，减轻重量的同时能提高防护能力。

2014年，美国莱斯大学在国防威胁降低局的支持下进行了石墨烯抗冲击研究，发现石墨烯受到硅石球高速冲击时能迅速分散冲击力，吸收入射能量的能力比钢强十倍，是凯芙拉纤维的两倍。将石墨烯与其它轻质高强材料复合，有望获得高性能轻型装甲系统。2015年5月，意大利特伦托大学的研究人员发现石墨烯能显著增强蜘蛛丝的强度，复合丝可达天然蛛丝强度的3.5倍，是单兵防弹衣的高性能材料。

鉴于石墨烯的轻质高强特性和热、电性质，石墨烯还可用于隐身防护领域。2013年，美国加州大学制备了石墨烯基红外隐身涂层，通过改变反射光的波长来实现红外隐身。这种材料可大面积涂覆于结构和平台表面，实现军事伪装。

此外，石墨烯还可以制成特殊涂料，用于军舰的舰体防护上，抵御海浪冲击以及水气、盐雾等的侵蚀，大幅提高武器装备的抗腐蚀能力；石墨烯良好的密闭性，不透气透水，且能抑制细菌滋生，可用于制作战地医疗物品、军用食品包装袋等；石墨烯的薄层结构对固体、气体、离子都有着很高的吸附容量，可用于战场污染物的清理，从而降低对生态环境的损害。