什么材料的密度为钢的5％，但强度却是钢的10倍？
本文摘要：（由ai生成）麻省理工学院通过压缩和熔化石墨烯片创造出新型轻质材料，密度低但强度高。石墨烯自发现以来，因其卓越属性被认为是未来重要材料，在电池和生物工程领域有潜在应用。然而，制备过程挑战大，产品质量难以保证，且缺乏大规模生产技术。此外，产业快速发展需警惕“泡沫化”风险。尽管如此，石墨烯的未来应用前景仍值得期待。 麻省理工学院（MIT）的一个研究小组用多材料3D打印机研究了最强的轻质材料之一。通过压缩和熔化石墨烯片，他们创造出一种密度为钢的5％、强度为钢的10倍的材料。 研究人员通过对石墨烯片进行热和压力的压缩，他们最终得到一种坚固而稳定、有点像珊瑚的结构。随即，科学家们发现：正是这种不寻常的、类似珊瑚的形状，使得压缩后的石墨烯变得如此之强，而不是材料本身的性质。因此，通过在塑料等其他更便宜的材料上复 制这种3D形式，科学家可以更低的成本实现类似于石墨烯的强度。当把石墨烯结构压缩至极限时，研究人员发现他们得到了一种令人难以置信的坚固材料，其密度为钢的5％，但强度却是钢的10倍。通过分析压缩后的石墨烯片的几何排列，研究人员能用3D打印机部分重现这种最强材料。石墨烯有如此优良特性，它会替代钢铁吗？石墨烯的热度在不断上升自2004年康斯坦丁博士通过胶带从石墨上分离出石墨烯以来，关于石墨烯的话题就在不断升温。近些年，各类媒体铺天盖地的报道终于将石墨烯推向了话题的风口浪尖——医疗、地产、汽车、计算机、生物等行业都与此有关。一时间，石墨烯几乎成为了前沿科技的代名词，貌似在对外宣传时不搭上石墨烯就不算高科技产业。石墨烯为何如此之火，真的会成为继“煤炭、钢铁、硅”之后人类的第四大材料吗？让现实发展给我们答案吧。第一种由单层原子构成的材料碳原子之间相互连接成六角网格。铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起，而碳纳米管就是石墨烯卷成了筒状。由于碳原子之间化学键的特性，石墨烯很顽强：可以弯曲到很大角度而不断裂，还能抵抗很高的压力。而因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，为它带来了全新的电学属性。石墨烯在可见光下透明，但不透气。这些特征使得它适合作为保护层和透明电子产品的原料。石墨烯的出现不亚于一次小型的能源革命石墨烯特殊的物理结构为其带来了优良的导电性与导热性，因此也是世界上电阻率最小的材料。所以，使用石墨烯制作的电池能量密度将高达600Wh/kg，而目前最先进的锂电池也仅为180Wh/kg。比如，石墨烯电池可以充电5分钟，通话24小时。再加上石墨烯电池相对于传统锂电八分之一的重量和两倍的寿命，联想一下现今手机、电动汽车等行业的发展瓶颈……在未来最值得期待的领域——生物工程领域，石墨烯或为人类超级明星。美国博伊西州立大学发表了一篇《石墨烯泡沫为肌管生长提供三维平台》的文章，研究了石墨烯泡沫在肌肉组织中的应用。结果表明石墨烯泡沫，适宜作为生长官能肌肉组织的支架材料。石墨烯本身是一种薄的碳层，所以被认为是二位的平面材料，然而石墨烯泡沫是以石墨烯为原料的3D石墨烯。最终，研究人员把石墨烯和石墨烯泡沫的独特性能，用在人体器官再生上。过去的研究已经证实了可以在石墨烯泡沫上生长骨和软骨，但这只是石墨烯泡沫与肌肉生长 相容性的第一歩研究。博伊西州立大学的材料科学与工程学院助理教授埃斯特拉达说：“我们希望能通过这些结果调查生命基本的化学变化，来向临床应用推进。”未来通过石墨烯泡沫这种新型材料，可能会成为控制肌肉的开关，和控制肌肉的神经类似，为残疾人带来福利也可能不会是空想了。光是最神秘的一种东西，而对于一种新的产生光的方式，将无人不予以跪拜。美国麻省理工学院研究人员已经发现了类似飞机超过音速时产生音爆的过程：电荷流过石墨烯，在某种情况下，能超过减慢了的光速，形成一种光“爆”，一种强烈的聚焦光束。这种全新的将电能转化为可见光辐射方式是高度可控的，并且快速有效。研究人员表示，这种方式可能会带来各种新的应用。研究人员表示：“石墨烯能通过我们称之为表面等离子体的方式捕获光。等离子体是代表了表面电子振荡的虚拟粒子。这些穿过石墨烯的等离子体的速度比在自由空间光的速度慢几百倍。”这种特性也为石墨烯产生相反的效果提供了可能性：形成光而不是捕获光。许多科学研究向我们展示了石墨烯的惊人特征，但有一个陷阱。这些美妙的特性对样品质量要求非常高。要想获得电学和机械性能都最佳的石墨烯样品，需要费时、费力、费钱的手段：机械剥离法——先用胶带粘到石墨上，再手工把石墨烯剥下来。别笑，2004年诺沃肖洛夫他们就是这么制备出石墨烯的。虽然技术含量不高，但问题是成功率也不高，弄点儿样品做研究还可以，工业化生产？哪怕拥有全世界的石墨矿，一天又能剥下来几片……难道只能用胶带一遍又一遍的粘么？当然现在我们也有很多其他方法来增加产量、降低成本。液相剥离法：把石墨或者类似的含碳材料放进表面张力超高的液体里，然后超声轰炸把石墨烯“雪花”炸下来。化学气相沉积法：让含碳的气体在铜表面上冷凝，形成的石墨烯薄层再剥下来。直接生长法：在两层硅中间直接设法长出一层石墨烯来。还有化学氧化还原法：靠氧原子的插入把石墨片层分离，如此等等。麻烦之处在于，使用这些办法，产品质量又不能保证。可以说，方法有很多，也各自有各自的适用范围，但是迄今为止还没有真的能适合工业化大规模推广生产的技术。石墨烯的“泡沫化”隐忧几年时间里，石墨烯就已在国内以迅猛之势发展起来，不觉让人们惊奇石墨烯产业发展速度之快、产品性能之好。但是在这些“光环”和惊奇的背后，也不禁使人质疑。石墨烯产业目前来说是先导领域，还没真正形成自己的产业，发展背后也还存在着一定的困难和问题。目前石墨烯产业的这种“红火”现象也透露出了资本的过度炒作。石墨烯概念炒得太火，某些新闻缺乏客观性，导致相关部门或企业对于石墨烯的认识存在误区，造成一种好像很简单，“短平快”一夜暴富的氛围。甚至有人至今仍然搞不清楚石墨烯与石墨的区别。毫无疑问，石墨烯会在未来发挥巨大的作用。未来很美好，路还是要一步一步的走。特别是在这个到处充满急功近利的年代，泡沫无处不在。经过几年发展，我国石墨烯产业基本形成以江苏省为聚合区，其它多地碎片化存在的产业格局。据统计，我国石墨矿储量占世界总储量的75%，生产量占世界总产量的72%，是我国少有的几种具有国际竞争优势的矿产之一。我国在石墨烯制备、手机触摸屏、锂离子电池以及复合材料等领域都取得了一定的研究成果，在一些领域处于国际先进水平。目前，我国一些石墨烯龙头企业发展水平位居世界前列。长期以来，有着“黑金子”之称的石墨烯主要在实验室以克为单位小批量生产，每克售价高达5000元。常州第六元素材料科技股份有限公司2013年开发出国内首条大规模宏量制备、全自动控制的粉体石墨烯生产线，年产能达100吨，致使石墨烯价格下降为每克1~3元，让石墨烯大规模工业化应用成为可能。产业发展亮点频现的同时，一些急功近利现象值得警惕。当下，国际鼓励发展新材料产业，石墨烯成为其有力支撑，加之其巨大的商业价值，政企高涨的投资热情致使大批资金流向石墨烯领域，行业规模急速膨胀，“泡沫化”倾向初显。除江苏外，重庆、宁波、青岛、德阳、河北、北京等地亦在布局石墨烯产业。重庆将石墨烯列为十大战略性新兴产业之一，宁波发布了《宁波市石墨烯技术创新与产业中长期发展规划（2014~2023）》，目标在10年内将石墨烯产业打造成为具有千亿元级产值规模的优势与特色产业?据《经济参考报》报道，在去产能方面，除了煤钢产业，其他行业落后产能也将进入去产能名单，包括汽车、新能源、石墨烯等行业的落后产能或将入列。部分专家认为，现下的石墨烯热与当年的造船、光伏投资冲动如出一辙，反映出企业和政府根深蒂固的投机性。一位石墨烯企业负责人甚至直言，这固然有企业家的盲目，但更多是地方政府的GDP冲动，背后蕴藏着“泡沫化”风险不容小视。 机械设计的内容讲解到此结束，欢迎各位进行补充。 -End-免责声明：本文系网络转载或改编，仅供学习，交流所用，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删。 来源：非标机械专栏
