谈谈石墨烯强度

有几位读者对前文“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，因此在这里进一步对石墨烯的强度作些讨论。

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,石墨烯的理论强度确实可比它们大100多倍。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。但是，若将理论强度与其他材料的实测强度作比较可能有些不妥，随着单层石墨烯的宽度和长度的增加，其力学性能将发生哪些变化还很难说，若不进行实测，确实是不能因此就妄作推论。

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T300、T800和T1000的抗拉强度分别可达3.5GPa、5.5Gpa和7.0GPa。日本东丽公司也已在实验室做出直径3.4µm，抗拉强度高达9.0321GPa的炭纤维，这些都比钢铁材料的强度高得多，是目前已知材料中比强度（抗拉强度与质量之比）最高的，也大多数是看得见、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，我们不也能期望到石墨烯的明天吗？

至于在“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10—20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1—1.5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。

当然，这种测算可能也并不完全合理。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，目前非石墨烯的研究人员可能既看不见，也摸不着它。制出较大面积的石墨烯时，石墨烯性能将有哪些变化还很难说。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也才仅仅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为缆绳，研发通向太空的天梯。这样大胆的设想，某些眼光短浅的人可能认为是不可想象的事！

太空电梯效果图“太空电梯”

概念图