韩美科学家开发出超高强度纳米金属-石墨烯复合材料

诸平

据物理学家组织网（Phys.Org.）2013年8月26日报道，韩国科学技术研究院（TheKorea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST)）与美国科学家合作已经用石墨烯等材料作为基础研发出一种新型复合纳米材料，其强度是组成复合材料的纯组分材料强度的数百倍。这种复合材料由石墨烯（graphene）、铜（Cu）或者镍（Ni）组成，graphene-Cu纳米复合材料强度是纯Cu组分强度的500倍，graphene-Ni纳米复合材料的强度是纯Ni组分强度的180倍。此研究成果2013年7月2日已经在《自然通讯》（ Nature Communications）杂志网站发表。详见YoubinKim, JinsupLee, MinSun Yeom, JaeWon Shin, HyungjunKim, YiCui, JeffreyW. Kysar, JamesHone, YousungJung, SeokwooJeon, SeungMin Han. Strengtheningeffect of single-atomic-layer graphene in metal–graphene nanolayered composites.NatureCommunications 4, Article number: 2114 doi: 10.1038/ncomms3114,Published 02 July 2013.

石墨烯的强度是钢材的200倍,而且可伸缩，易弯曲。美国陆军武器研发与工程中心（The U.S. Army Armaments Research, Development and Engineering Center）也曾经开发出一种石墨烯-金属纳米材料，但未能明显改善材料的强度。KAIST       的研究小组为了使得材料的强度实现最大化增强，创建了金属和石墨烯的一种分层结构的纳米材料。通过化学气相沉积(CVD)法在金属沉积衬底上设置一层石墨烯薄膜，然后再沉积另一层金属,并重复操作此过程最终形成一种金属-石墨烯多层复合纳米材料,此操作也是世界首例。

在透射电子显微镜下进行微耐压测试，以及分子动力学模拟均有效地显示出该材料在原子水平上的强度增强效应和位错运动。金属-石墨烯复合材料内的石墨烯层的机械特性成功地阻止了外部损伤的裂纹位错向内迁移现象。因此,该复合材料显示出的强度超出常规金属-金属多层复合材料的强度。晶面间距为70 nm的Cu- graphene多层纳米材料，其强度是纯Cu材料强度的500倍，而晶面间距为100 nm的Ni- graphene多层纳米材料的强度是纯Ni材料强度的180倍。并发现晶面间距和多层纳米复合材料的强度之间有一种清晰的关联性。晶面间距越小，位错运动更加困难；而此多层纳米复合材料的强度却明显增加。

该研究的领导者Seung Min Han教授评论说“其结果是令人震惊的，因为石墨烯的含量仅有0.00004%（Wt/Wt）就可以使纳米复合材料的强度增加数百倍，”而且“基于此成功的一些改进,尤其是采用卷到卷工序 (Roll-to-RollProcess)或者金属烧结法使其大规模生产,在汽车和航天器轻型化生产以及超高强度部件的生产等方面完全成为可能。”此外Seung Min Han教授还提到,“该新材料可以应用于核反应堆建设的涂层材料，也可以用于其他需要高可靠性的结构材料。”

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