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石墨烯的军事用途之科技前沿发展

2018-01-25 16:55:16
作者:本网发布
来源:《腐蚀防护之友》

石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎完全透明,质轻且具有良好的柔韧性和超强的导电、导热性,在微电子、光电子和新材料等高技术军事领域有巨大的应用潜能。欧美等发达国家投入了大量资金,重点开展石墨烯在超级计算机、高灵敏传感器、便携电子器件和先进防护材料等与国防密切相关领域的战略性开发,以期占据军事前沿技术的制高点。

    石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎完全透明,质轻且具有良好的柔韧性和超强的导电、导热性,在微电子、光电子和新材料等高技术军事领域有巨大的应用潜能。欧美等发达国家投入了大量资金,重点开展石墨烯在超级计算机、高灵敏传感器、便携电子器件和先进防护材料等与国防密切相关领域的战略性开发,以期占据军事前沿技术的制高点。

 

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更细小更节能运算速度更快的石墨烯芯片


    石墨烯将提高计算机的存储和运算能力,减小体积,降低能耗

    计算机是武器火控系统的核心,其数据处理和存储能力决定着弹道计算和快速打击的精准度。石墨烯器件制成的计算机速度比硅基微处理器高 1000 倍达太赫兹,在装备设计制造模拟、战场模拟、核爆模拟以及情报分析有重要意义,另外石墨烯器件还具有尺寸小、耗能低、发热量少等特点。为此,美国国防高级研究计划局早已将开发尺寸更小、计算能力更快的石墨烯基微电子装置列入研究计划。

    目前,石墨烯晶体管尚不能完全用于计算机,还需要深入研究克服数据开关、石墨烯的工业加工修饰等各项难题。2015 年 7 月,以美国密歇根理工大学为首的研究团队在陆军研究实验室的支持下,通过将石墨烯与氮化硼纳米管杂化组合,创建了一种具有高开关比(比已有的石墨烯开关高几个数量级)的新型数字开关材料,为未来制造更快、更小的计算机提供了前提。2015年7月30日,西班牙 AIMEN 技术中心的研究人员报道了利用激光加工石墨烯的技术,单脉冲激光仅需几皮秒就能对石墨烯进行快速精确地切割、添加分子或外接官能团。另外,美国海军研究实验室的科学家也利用氢化处理技术使石墨烯获得磁性,该技术可通过调节氢原子的数量改变磁场强度,在微电子领域有大规模制备磁性石墨烯的潜力。

    石墨烯将提高传感器的灵敏度,促进微型化

    石墨烯具有优异的光学性能,经加工还可获得高灵敏度的磁学、热学和力学特性,是制备新型轻薄传感器最有潜质的材料。

    欧美等发达国家高度重视军用石墨烯传感器的研发。位于美国麻省理工学院的士兵纳米技术研究所把利用石墨烯技术开发具备高灵敏度、可调光谱选择性和快速响应特性的新一代红外夜视系统列为研究目标。2014 年,美国密歇根大学研究者将石墨烯夹入镜片之间,构建了一种能捕捉可见光和红外线的传感器。镜片可做成比手指甲更小,结合于隐形眼镜中,未来这种智能隐形眼镜应用于士兵可获得夜视能力。2015年7月,国防高级研究计划局和陆军研究实验室资助美国东北大学制备了一种硼、氮、氧掺杂的石墨烯基二维材料,赋予了石墨烯热敏性和超感光性,有助于开发体积更小、携带灵活的红外热像仪和超灵敏光探测器。2015 年 8 月,瑞士洛桑联邦理工学院的研究者宣称正在开发可拾获一个光子的石墨烯超感光探测器,这种探测器对从近红外到 X 射线的宽光谱范围都有响应,比常规的硅基光电探测器灵敏度高上千万倍,可用于军用夜视系统、太空望远镜,乃至光量子计算机。

 

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美国马里兰大学开发的基于石墨烯传感器的可看穿墙的眼镜


    石墨烯将提高装备的防护性能和隐身能力

    石墨烯具有优越的力学性能,在抗弹防护方面具有广泛的应用前景。2014年,美国莱斯大学在国防威胁降低局的支持下进行了石墨烯抗冲击研究,发现石墨烯受到硅石球高速冲击时能迅速分散冲击力,吸收入射能量的能力比钢强十倍,是凯芙拉纤维的两倍。将石墨烯与其它轻质高强材料复合,有望获得高性能轻型装甲系统。2015 年 5 月,意大利特伦托大学的研究人员发现石墨烯能显著增强蜘蛛丝的强度,复合丝可达天然蛛丝强度的 3.5 倍,是单兵防弹衣的高性能材料。

    鉴于石墨烯的轻质高强特性和热、电性质,石墨烯还可用于隐身防护领域。2013 年,美国加州大学制备了石墨烯基红外隐身涂层,通过改变反射光的波长来实现红外隐身。这种材料可大面积涂覆于结构和平台表面,实现军事伪装。另外,欧洲防务局于 2015 年 6 月举行专题研讨会,聚焦石墨烯在复合材料防护体系和自适应伪装涂层方面的应用潜力。

    一种高性能超级电容器电极材料

    据悉,一种高性能超级电容器电极材料 -- 氮掺杂有序介孔石墨烯。该材料具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的“超强电池”。 超级电容器,是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置。由于具有功率密度高、循环寿命长、安全可靠等特点,现已广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域。如何让超级电容器兼具高功率、高能量,长期以来科学家并没有找到理想材料。

 

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石墨烯防弹衣更轻巧防护能力更强


    结语

   
 石墨烯已成为军事尖端技术所依托的明星材料,其成果一旦商业化,将给军事装备和民用产品带来巨大变革,如石墨烯基超级计算机、微型红外夜视镜、超灵敏探测器和超薄可折叠显示屏等。

 

资料来源:网络

标签: 石墨烯, 军事用途, 前沿技术

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