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研究背景
石墨烯有三種不同的形態(tài)：粉體；薄膜；纖維。材料形態(tài)不同，用途也不一樣。
理論上講，高溫外延生長(zhǎng)而成的連續(xù)態(tài)單晶石墨烯薄膜最能體現(xiàn)石墨烯的本征優(yōu)異特性，如超高載流子遷移率、極高的熱導(dǎo)率以及超強(qiáng)的力學(xué)強(qiáng)度等。
超潔凈石墨烯薄膜
這種連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜通常生長(zhǎng)在銅、鎳等金屬表面，金屬的作用是降低碳源裂解溫度和石墨化溫度。金屬材料具有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，原子級(jí)厚度的石墨烯的優(yōu)良導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性會(huì)淹沒(méi)在宏觀厚度的金屬生長(zhǎng)襯底貢獻(xiàn)的電子汪洋大海背景中。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要將石墨烯從金屬生長(zhǎng)襯底表面剝離下來(lái)，轉(zhuǎn)移到目標(biāo)支撐襯底上。
實(shí)現(xiàn)單原子層厚度的石墨烯剝離轉(zhuǎn)移無(wú)疑是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，是制約石墨烯薄膜應(yīng)用的瓶頸所在。
概念提出
超級(jí)蒙烯材料是北京石墨烯研究院研究團(tuán)隊(duì)（簡(jiǎn)稱(chēng)BGI）提出的新概念。
通過(guò)高溫生長(zhǎng)過(guò)程和巧妙的工藝設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)材料表面沉積連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜。借助高性能石墨烯“蒙皮”，賦予傳統(tǒng)材料全新的功能，讓原子級(jí)厚度的石墨烯薄膜搭乘傳統(tǒng)材料載體走進(jìn)市場(chǎng)。
不同于石墨烯涂料在材料表面的物理涂敷，這種直接生長(zhǎng)的連續(xù)態(tài)石墨烯“蒙皮”最大程度地保存了石墨烯的本征特性，是普通石墨烯微片材料所無(wú)法比擬的。
超級(jí)蒙烯材料體現(xiàn)了連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜應(yīng)用的新理念，借助傳統(tǒng)材料襯底，解決了超薄石墨烯薄膜的無(wú)法自支撐問(wèn)題，同時(shí)回避了金屬襯底上薄膜生長(zhǎng)的剝離轉(zhuǎn)移難題。
超級(jí)蒙烯材料的概念示意圖
由于納米級(jí)到亞微米厚度的石墨烯蒙皮基本上不改變支撐襯底材料的宏觀形態(tài)，因此超級(jí)蒙烯材料具有工藝兼容性強(qiáng)的巨大優(yōu)勢(shì)，在不改變現(xiàn)役工程材料加工工藝的前提下發(fā)揮其獨(dú)特的功能，可借力現(xiàn)役工程材料的廣闊應(yīng)用市場(chǎng)，將石墨烯薄膜推向?qū)嶋H應(yīng)用。
超級(jí)蒙烯材料家族
支撐襯底的選擇是超級(jí)蒙烯材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，決定著制備可行性、材料性能以及應(yīng)用前景。
超級(jí)蒙烯材料可分為蒙烯非金屬材料和蒙烯金屬材料。
蒙烯玻璃纖維、蒙烯氧化鋁、蒙烯碳化硅以及蒙烯氮化硼等都是蒙烯非金屬材料家族的重要成員。
蒙烯金屬材料通過(guò)在金屬襯底上生長(zhǎng)石墨烯獲得，包括蒙烯銅、蒙烯鎳、蒙烯銦、蒙烯錫、蒙烯鋼等諸多種類(lèi)。
按照襯底材料的形態(tài)分類(lèi)，超級(jí)蒙烯材料又可以細(xì)分為蒙烯箔材、蒙烯纖維、蒙烯粉體以及蒙烯泡沫等多種形態(tài)，構(gòu)成琳瑯滿目的超級(jí)蒙烯材料家族。不同形態(tài)的超級(jí)蒙烯材料進(jìn)行后加工處理或者與其他材料復(fù)合，將進(jìn)一步豐富超級(jí)蒙烯材料家族的內(nèi)涵。
超級(jí)蒙烯材料的分類(lèi)和主要形態(tài)
典型代表：蒙烯玻璃纖維
蒙烯玻璃纖維是超級(jí)蒙烯材料概念的第一個(gè)具體實(shí)例，通過(guò)高溫化學(xué)氣相沉積過(guò)程，在傳統(tǒng)玻璃纖維表面生長(zhǎng)連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜，實(shí)現(xiàn)石墨烯與玻璃纖維的有機(jī)結(jié)合，是一類(lèi)全新的石墨烯/玻璃纖維復(fù)合材料。
蒙烯玻璃纖維：石墨烯與玻璃纖維的完美性能疊加
BGI團(tuán)隊(duì)針對(duì)玻璃纖維上的石墨烯生長(zhǎng)問(wèn)題，通過(guò)空間限域生長(zhǎng)、生長(zhǎng)助劑引入、碳源前驅(qū)體設(shè)計(jì)、襯底表面調(diào)控以及流場(chǎng)設(shè)計(jì)等手段，打破了玻璃纖維襯底在碳源裂解、石墨烯成核、層數(shù)控制、結(jié)晶質(zhì)量以及均勻性等方面的局限性，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量蒙烯玻璃纖維絲束和織物的可控制備。
蒙烯玻璃纖維的制備方法
(a)纖維絲束和織物上石墨烯CVD生長(zhǎng)示意圖；(b)蒙烯玻璃纖維絲束(左)和蒙烯玻璃纖維織物(右)的實(shí)物照片
此外，利用玻璃纖維織物輕質(zhì)、柔性、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，BGI團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)“卷對(duì)卷”規(guī)模化CVD生長(zhǎng)系統(tǒng)，并對(duì)氣體流場(chǎng)、生長(zhǎng)區(qū)熱場(chǎng)、溫度控制系統(tǒng)、進(jìn)料控制系統(tǒng)等關(guān)鍵模塊進(jìn)行了系統(tǒng)集成，研制 出第一代蒙烯玻璃纖維織物規(guī)�；苽溲b備。
蒙烯玻璃纖維織物的規(guī)模化制備
(a–c)動(dòng)態(tài)“卷對(duì)卷”規(guī)模化制備系統(tǒng)；(d)蒙烯玻璃纖維織物實(shí)物照片
目前，BGI正在建造規(guī)劃2條第三代卷對(duì)卷產(chǎn)線，進(jìn)一步提升產(chǎn)能以應(yīng)對(duì)日漸增長(zhǎng)的各類(lèi)需求。
全球首臺(tái)米級(jí)寬幅蒙烯玻璃纖維織物卷對(duì)卷制備系統(tǒng)
產(chǎn)能達(dá)20000平方米每年
作為新一代輕質(zhì)、柔性的電熱轉(zhuǎn)換材料，蒙烯玻璃纖維在電加熱、輻射熱管理等領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。已成功用在飛行器的防除冰領(lǐng)域。
小結(jié)
超級(jí)蒙烯材料新概念的提出將有力推動(dòng)石墨烯與傳統(tǒng)材料的融合，為連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜材料的實(shí)用化開(kāi)辟新路，為加快石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)落地提供新的動(dòng)力，有望促進(jìn)電力電纜、信號(hào)傳輸、導(dǎo)熱散熱等結(jié)構(gòu)功能器件的升級(jí)換代。
超級(jí)蒙烯材料研究尚處于起步階段，在材料設(shè)計(jì)、高溫生長(zhǎng)、物性測(cè)量和應(yīng)用探索方面空間巨大。
資料來(lái)源：
亓月,孫祿釗,劉忠范.超級(jí)蒙烯材料：石墨烯家族的新成員
北京石墨烯研究院
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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