石墨烯是碳的結晶形式之一，類似于金剛石和石墨的晶體結構。石墨烯是目前人類已知的強度最高、質量最輕、導電性最佳的材料之一。

單個石墨烯片內碳原子之間的強共價鍵使其具有出色的面內力學性能， 在相同厚度下，石墨烯的斷裂強度比鋼高100倍以上。而層狀結構中相鄰石墨烯片之間的范德華力相對較弱，因此石墨比金剛石軟得多。

石墨是良好的熱導體，自由電子則賦予石墨較高的面內導電性。

石墨烯強度很高，根據原子力顯微鏡基于懸浮石墨烯的壓痕實驗得到的單個石墨烯片的彈性模量 約為1Tpa，斷裂強度約125Gpa，遠高于大多數結構材料。

這些與眾不同的特性也賦予石墨烯很多不同尋常的應用。

隨著現代化軍隊對建設高科技軍事平臺和軍事人員能力的要求，很多方面都需要引入高科技元素， 以使部隊具有更強的戰斗力。不論是軍事平臺的輕型化設計，可使平臺具有更好的 機動性、靈活性，并降低燃料消耗，攜帶更多的彈藥， 從而提高生存能力和戰斗能力，還是讓普通士兵負載輕型化，對提高部隊的靈活性、機動性，石墨烯都大有可為。

本期與大家一同探討石墨烯的力學特性在國防領域的應用：

結構材料

近幾十年來，由于燃料成本上升，資源消耗迅猛，對陸軍車輛、海軍艦艇和飛機的輕型化已經日益迫切，因為這樣不僅可以降低燃料消耗，而且可以改善車輛運輸能力，增加負載量，增強戰斗能力，納米復合材料可以滿足上述要求。對于納米復合材料，采用少量納米分散劑，就可以達到傳統材料填料高達15%-40%同樣的結構性能。而且，添加多功能納米分散劑甚至可以滿足抗雷電和反雷達性能。當納米粒子較好地分散于給定基質時，復合材料性能既優于填料本身的性能，也優于基質本身的性能。將納米粒子用于多種基質，可以創造具有多種功能性的、輕型的高強度納米復合結構材料，應用于陸海空天等多種軍事平臺。

裝甲材料

傳統使用厚重的鋼制裝置來保護移動運輸軍事平臺如坦克、輪船等。然而，這造成結構沉重，從后勤角度，將這類沉重的軍事平臺運輸到戰場，無疑會犧牲速度和機動性。通常，應用裝甲來保護受到攻擊的軍用車輛和人員。軍用車輛的裝甲常用高強度金屬如特種鋼和鋁合金。但這些附加質量使車輛更笨重，使車輛的性能－質量比較差。陶瓷和復合材料是優選的低密度材料，可以抵抗彈丸或者爆炸波的沖擊，而不用犧牲性能－質量比。

納米結構材料，特別是納米復合材料，為發展更輕、更強、更柔韌、環境更穩定的軍事平臺（包括坦克、噴氣式戰斗機、便攜式微型無人機等運輸工具等）的輕型裝甲提供了新的可能性。納米材料獨具大量力學、光學、電學、磁學和化學特性，使制備的平臺具有多功能性，比如適合各種環境條件，抵御自然或人為災害造成的各種沖擊等。納米材料作為添加組分，與陶瓷或纖維一起使用，應用于聚合物或金屬基質，對于制造輕型和高強度飛機極具意義。石墨烯便是其中重要的一種添加劑。與未增強的金屬和合金相比，石墨烯增強的金屬基質納米復合材料具有更高的比強度和硬度、更高的應用溫度、更優的耐磨性能，還可在一定范圍內調整這些性能，使其有機會應用于車輛裝甲。

透明裝甲

光學透明的裝甲通常用于保護行駛車輛中的重要人物免于遭受爆炸或彈丸攻擊。這種材料用于陸地或空中交通工具的窗戶或者防風板、水中艦艇的保護觀察窗，及重要人物的安保車輛等；對于非戰斗用途，也可用于包括防暴人員或者處置爆炸裝置的人員等。透明裝甲還可以根據用戶需求進行特制。透明裝甲最重要的需求是其對于多種攻擊的防護能力，同時，能夠沒有任何變形地觀察周圍空間各種形勢的變化。對于陸地和空中平臺，透明裝甲的重要參數包括質量、成本、透明度等。此外，透明裝甲面板也適應于夜視設備。

熱塑性和熱固性聚合物比如聚碳酸酯、聚丙烯酸酯和聚氨酯均為有吸引力的防彈玻璃材料，因為它們透明性好、抗裂紋蔓延能力強，并在子彈穿過處可以融化并重新封口。其中，聚氨酯顯示出繼續保持透明性和捕獲彈丸的能力。利用聚氨酯這種優異的性能，已經開發出石墨烯增強聚氨酯，這種材料具有重要的潛在應用價值，可制備成透明多層復合裝甲，用作軍用車輛及其他執法車輛的擋風板和窗玻璃。彈丸模型研究表明，含有石墨烯層和聚氨酯層（5層聚氨酯和5層石墨烯）的復合材料與同樣厚度的聚氨酯相比，會導致彈丸動能降低32%。設計和模擬研究表明，沖擊后的光學透過率也有改善。石墨烯－聚氨酯復合材料的這些突出特性，使這種材料成為非常有前景的輕質低成本透明裝甲。

身體防護設備

使用輕型的頭盔、防彈夾克、西服、靴子等人員防護設備，對于減輕士兵的后勤負擔，而不影響這種設備對爆炸和各類彈丸攻擊的防護至關重要。當前，針對納米材料的主要研發重點是制造輕質防彈衣。

在過去的10余年中，石墨烯已經成為最杰出的納米材料。它已經成為各種電子和機械方面應用的最神奇材料。在600M/S的子彈速度下，多層石墨烯的比穿透能，即抗動能穿透的能力比宏觀鋼板高約10倍。由于石墨烯的層狀結構由二維碳晶格構成，因此具有多層結構的石墨烯是一種特殊的各向異性材料。子彈一旦擊中，將拉伸為圓錐形，然后開始出現徑向裂紋，這些裂紋大致沿晶體學方向延伸，并向外延伸超過沖擊區域。碳納米管和石墨烯本身都具有阻止高速子彈的能力，將它們結合在一起可以制造出更堅固的防彈材料。最近，石墨烯和碳納米管的復合材料已經證明比蜘蛛絲和凱夫拉纖維都強。此類織物在世界各地還都處于概念驗證階段，預計該產品不久將上市。

配備前后裝甲板的傳統中型防彈衣重約14kg，而新型石墨烯防彈衣及納米頭盔，士兵負重整體減重可超過6kg。

結語

綜上所述，在國防領域的多個方向，石墨烯的潛在應用已經嶄露頭角，并且制得的先進材料的某些性能已經體現出了顛覆性的優勢。由于石墨烯的高強度，作為增強材料，石墨烯可用于多種軍事平臺的結構材料、裝甲材料、身體防護設備等，制得的復合材料優于目前已知的所有增強材料的效果。

作為當今備受關注的前沿新材料之一，國際上很多國家也高度重視石墨烯產業發展，從戰略層面對石墨烯進行布局。我國石墨資源豐富，在此領域更是具有先天優勢。因此，制定石墨烯產業發展總體規劃，形成石墨烯整體研發戰略，合理規劃、科學布局，培育一批石墨烯的領軍研究團隊和領軍企業， 對石墨烯在國防領域的規模應用意義深遠。

編輯：黃飛

?