研炭翁分享 http://blog.sciencenet.cn/u/wangmaozhang 研炭数十载,乐此不疲中。 今已“柒零”后,依然兴趣浓。

博文

研炭翁说碳(三) 我忽悠了吗?-谈谈石墨烯的强度 精选

已有 12785 次阅读 2011-1-19 12:19 |系统分类:科普集锦| blank

     我忽悠了吗?-谈谈石墨烯的强度

  本来研炭翁说碳(三)想写“碳是个什么东西?”,但上网一看,有几位评议人对前文“研炭翁说碳(二)浅谈石墨烯”(以下简称“前文”)所举有关石墨烯强度的比较及例子表示质疑。游客交大钢铁研究者甚至毫不客气地提出:“这位是学者吗?怎么看着像忽悠啊?”。因此,被逼不得不先写此文作一总的回复。

写科普文章时,为避免枯燥的数字和太深的理论阐述,常常用简单的比较和例子予以说明,希望能达到深入浅出的目的。“前文”中提到的比较及例子并非本人原创而是引自其它文章(因系科普文章,当然也就未列出参考文献),但是这些比较和例子是有理论和实验数据作依据的。科普文章的例子和比较或比喻不可能像科技论文那样精确、贴切,但是也绝不能像科幻小说那样完全离谱。那么,石墨烯的强度到底是多少,“前文”中的例子和比较离谱了吗?文章的作者是在忽悠吗?

   外层电子形成sp2杂化的碳原子所形成的碳碳双键(C=C)是自然界最强的价键之一,根据其键能607KJ/mol和碳键的密度,计算出石墨烯的弹性模量为1Tpa(1 TPa=103 GPa=106 MPa)。按照吉拉曼(Gilaman)固体材料理论固有强度的计算可得出,石墨烯的抗拉强度为180GPa。谈到钢铁,一般多指块状钢铁,包括各种不同牌号碳钢和不锈钢在内,其强度在0.78-1.68GPa之间, 石墨烯的强度不是比它们大100多倍还多吗?

本人学识浅薄,孤陋寡闻,愧为学者,仅对碳略知一二,确实不知钢琴丝、钢晶须等还有那么高的强度,这也说明隔行如隔山的道理。但是,也并没有无知到用石墨烯来与钢丝或钢晶须作比较呀!如果钢铁的理论强度如交大钢铁研究者所说是20Gpa,但块状钢铁应和普通块状炭材料一样,是很难达到纤维和晶须的抗拉强度水平的,更何谈达到其理论值。另外,“前文”中也并没有说石墨烯是钢铁理论强度的100倍呀!

     单层石墨烯是完美的理想晶体,其力学性能自然可接近其理论值,SP2杂化碳碳键形成的碳纳米管实测得到的抗拉强度也有150Gpa(参见Nature. 1997.vol.389.no.6651,pp,582-4)。石墨晶须的抗拉强度则为21 GPa。炭纤维也主要是以SP2杂化碳碳键所形成的材料,尽管受脆性材料中的裂纹、孔隙及晶粒大小等众多因素所影响,其抗拉强度与理论值有很大差距,但其工业产品的抗拉强度值也相当高,不同牌号的产品如T300T800T1000的抗拉强度分别可达3.5GPa5.5Gpa7.0GPa。这些也都是看得见,摸得着并已在航空、航天、军工等部门大量应用的产品。正是由于炭纤维的高强度、高模量,美国F-22战机的表面用炭纤维复合材料已达70%,民用波音787和空客A380中炭纤维复合材料已占其结构材料的50%以上,每架飞机用炭纤维的量达23吨。说到这里,似乎有点跑题。然而,在上世纪60年代,刚开始研究把脆性的炭材料变成柔韧的炭纤维时,谁又能想到能有今天这样的发展。从炭纤维的发展我们不就可以看到石墨烯的明天吗?

至于“前文”中的提到的另一比喻,请参看“科学”杂志中的一篇论文 Science 18 July 2008.Vol. 321. no. 5887, pp. 385 - 388 Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene 。该文作者为哥伦比亚大学的物理学学者Changgu Lee, James Hone等,他们对石墨烯的力学特性进行了较全面研究。为此,他们选取一些1020微米的石墨烯作研究对象,先将这些石墨烯样品放在了一个表面钻有小孔的晶体薄板上,这些孔的直径在11.5微米之间。然后用金刚石制成的探针对放置在小孔上的石墨烯施加压力,测试它们的承受能力。结果发现,在石墨烯样品开始碎裂前,其每100纳米距离上可承受的最大压力达到了大约2.9微牛。据测算,这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100纳米)石墨烯,那么需要施加差不多两万牛顿的压力才能将其扯断。换句话说,如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。

NatureScience是公认的世界顶级科学杂志,其上发表的论文和数据,恐怕没多少人会认为其论文作者是在忽悠人吧?

正如“前文”最后提到的,石墨烯作为材料应用其研究之路还很长。当前还根本制造不出1米大小的石墨烯,目前非科技人员可能既看不见,也摸不着它。制出较大面积的石墨烯时,其性能还有可能发生变化。

         太空电梯效果图                      太空电梯概念图

    虽然石墨烯的存在人们早已知道,但单层石墨烯的成功分离才仅仅6年,对其认识和研发也刚刚开始,和炭纤维碳纳米管一样,只要找准方向不断努力,美好的愿望和实用前景就有可能实现。更何况当今世界无论是物理学家、化学家还是材料学家,都在一窝蜂地竟相研究石墨烯这一新材料。这也正是为什么日本IT公司和美国国家宇航局(NASA的先进概念研究所等机构,基于碳纳米管和石墨烯的高强度、轻质量,先后提出用碳纳米管或石墨烯作缆绳,研发通向太空的天梯。这样大胆的设想,在某些眼光短浅的人看来,不更认为是在忽悠吗?

 



http://blog.sciencenet.cn/blog-526286-405824.html

上一篇: 研炭翁说碳(二) 浅谈石墨烯
下一篇:研炭翁说碳(四) -碳是个什么东西?

11 刘庆丰 唐常杰 李学宽 吕喆 郭向云 徐耀 孙长庆 祁晓炜 傅云义 毛培宏 郭桅

发表评论 评论 (10 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-9-21 02:55

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部