文/馮憲 編輯/丙丁

神奇的石墨烯服裝

文/馮憲 編輯/丙丁

馮憲

高級(jí)工程師，上海市科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員，原上海市服裝研究所總工程師，現(xiàn)任上海市紡織工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)部、科普部副部長(zhǎng)。

今年央視春晚有一款神奇的高科技服裝精彩亮相。當(dāng)時(shí)，在哈爾濱分會(huì)場(chǎng)零下三十幾度的露天滑冰表演場(chǎng)地上，一群身穿能夠顯現(xiàn)人體健美線條的輕薄型連體服裝的演員，在音樂(lè)伴奏和燈光襯映下翩翩起舞，取得了韻律十足、美不勝收的表演效果，頗奪人眼球。這款表演服裝便是采用石墨烯材料制成的，利用其外觀輕薄的特點(diǎn)和具有快速充電釋放熱量且蓄積熱能功能的突出優(yōu)勢(shì)，很好地產(chǎn)生了抗寒保暖，呵護(hù)人體的作用，適應(yīng)演出需要和確保演出質(zhì)量的目的。據(jù)研發(fā)該產(chǎn)品的智烯科技公司總經(jīng)理李思幸介紹，這款特殊的服裝能在30秒內(nèi)快速升溫到40℃左右，恒溫時(shí)間可持續(xù)3至5個(gè)小時(shí)，具有高效保暖效果以及輕巧、便捷的特點(diǎn)。這款石墨烯服裝成為今年央視春晚哈爾濱高寒演出場(chǎng)地保護(hù)演員體溫健康和提高演出質(zhì)量的高科技秘密武器。

石墨烯結(jié)構(gòu)圖

表演現(xiàn)場(chǎng)

石墨烯最初來(lái)源于石墨。石墨屬于晶態(tài)單質(zhì)的碳化合礦物質(zhì)，是由有機(jī)成因的碳物質(zhì)在高溫下發(fā)生質(zhì)量變化而形成的。它常見(jiàn)于大理巖、片巖或片麻巖中，煤層經(jīng)熱質(zhì)變作用也可部分形成石墨。另外，少量石墨還是火成巖的原生礦物質(zhì)。石墨在重化工、輕工及國(guó)防、原子能等各領(lǐng)域的生產(chǎn)中用途很廣，是制造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石、鉆石不可缺少的原料，還可用于制作耐火材料、導(dǎo)電材料、耐磨潤(rùn)滑材料、隔熱材料、防射線材料和防腐防銹除垢材料。同時(shí)，它還是一種環(huán)保型蓄能材料，美國(guó)已用它生產(chǎn)汽車電池。石墨烯是由一層層的石墨疊加而成的，厚度為1毫米的石墨大約包含了300萬(wàn)層的石墨烯，用石墨制成的鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡中就有數(shù)層石墨烯。石墨烯有單層、雙層和多層之分，均具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，它的晶格是由六個(gè)碳原子圍成的六邊形，厚度僅為一個(gè)原子層，是目前世界上已知最薄的納米材料，20萬(wàn)片石墨烯薄膜疊加在一起，厚度僅與一根頭發(fā)絲相仿。石墨烯還具有快速傳導(dǎo)功能，電子傳遞速度比任何已知導(dǎo)體都快，導(dǎo)熱性是銅的13倍，導(dǎo)電性是銅的100萬(wàn)倍。

石墨烯這種材料的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng)。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃肖洛夫，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)不斷對(duì)鱗片狀石墨進(jìn)行提煉和分離，首次得到了一種只有一層碳原子結(jié)構(gòu)，形態(tài)極薄的新物質(zhì)，即石墨烯。在隨后的三年內(nèi)，兩位科學(xué)家在單層和雙層石墨烯體系中又分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們因此獲得了2010年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。至此，石墨烯這種屬于納米級(jí)別的新材料開(kāi)始受到相關(guān)業(yè)界的關(guān)注。作為一種二維碳納米材料，石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和剛性結(jié)構(gòu)，其硬度比最堅(jiān)韌的鋼鐵還要強(qiáng)100倍，甚至超過(guò)了鉆石。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，能夠吸收僅為2.3%的光。在可見(jiàn)光區(qū)，四層石墨烯的透過(guò)率與傳統(tǒng)的ITO薄膜（一種半導(dǎo)體材料，具有高的導(dǎo)電率、高的可見(jiàn)光透過(guò)率、高的機(jī)械硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性）相當(dāng)，在其他波段，四層石墨烯的透過(guò)率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ITO薄膜。由于具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、透明度以及柔韌性，作為一種納米新材料，石墨烯在相關(guān)領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為可引起革命性改變的“超級(jí)材料”。最新研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯還能從其他一些含有碳元素的物質(zhì)中提取，如我國(guó)發(fā)明了從玉米秸稈及玉米芯中提煉石墨烯的技術(shù)，澳大利亞也研發(fā)了從茶樹中提取石墨烯的方法。于是，就有了生物質(zhì)石墨烯的提法。

軍用石墨烯服裝

石墨烯胚布

我國(guó)在石墨烯研究上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。從資源角度分析，作為石墨烯主要生產(chǎn)原料的石墨，在我國(guó)儲(chǔ)量豐富。另外，我國(guó)已經(jīng)成功解決石墨烯批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)這兩大難題，突破了石墨烯材料量產(chǎn)的阻礙，且制造成本已從原來(lái)的5000元人民幣/克降至3元人民幣/克。國(guó)內(nèi)已能利用化學(xué)氣相沉積法（CVD）成功制造出了首片15英寸的單層石墨烯，并能夠?qū)⑹┩该麟姌O應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。2014年3月20日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛課題組與清華大學(xué)和中科院金屬研究所相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作，成功研制出高導(dǎo)熱石墨烯/碳纖維柔性復(fù)合薄膜。2015年3月2日，全球首批3萬(wàn)部石墨烯手機(jī)在重慶發(fā)布，該款手機(jī)采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜。

在紡織服裝行業(yè)，我國(guó)山東濟(jì)南圣泉集團(tuán)于8年前便開(kāi)始和國(guó)內(nèi)外眾多院校合作研究“生物質(zhì)石墨烯功能纖維及其在紡織領(lǐng)域中運(yùn)用”課題。

商務(wù)石墨烯服裝

2014年，該集團(tuán)聯(lián)合黑龍江大學(xué)成功利用基團(tuán)配位組裝法研制出生物質(zhì)石墨烯提煉工藝，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)突破，科研人員從玉米的秸稈和芯中創(chuàng)造性地制備了生物質(zhì)石墨烯和玉米芯纖維，同時(shí)還將兩者復(fù)合加工，研發(fā)出一種內(nèi)暖纖維并實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。這種全新的內(nèi)暖型多功能復(fù)合纖維，除具有一般纖維的常規(guī)屬性之外，還具有防紫外線、抗菌抑菌等特性，除了適用于服裝產(chǎn)品之外，還可以應(yīng)用于車輛內(nèi)飾、美容醫(yī)療衛(wèi)材、摩擦材料、過(guò)濾材料等生產(chǎn)領(lǐng)域。2015年在青島舉行的中國(guó)國(guó)際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)上，石墨烯發(fā)現(xiàn)者、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安德烈·杰姆教授對(duì)這一成果評(píng)價(jià)頗高，英國(guó)曼徹斯特國(guó)家石墨烯研究院的科學(xué)家還當(dāng)場(chǎng)購(gòu)買了這種生物質(zhì)石墨烯內(nèi)衣產(chǎn)品，聲稱要回去和同事們分享。

其實(shí)，發(fā)熱保暖只是石墨烯材料多項(xiàng)出眾性能中的一項(xiàng)，隨著對(duì)石墨烯技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷深入和開(kāi)發(fā)力度的不斷加大，從“新材料”視角出發(fā)分析其在紡織服裝行業(yè)的應(yīng)用前景，不僅能夠進(jìn)一步拓展紡織服裝產(chǎn)品的功能，甚至還可能會(huì)帶來(lái)革命性的變化。比如，可以利用石墨烯材料導(dǎo)電性能強(qiáng)和具有蓄能傳導(dǎo)的性能，在完善可穿戴技術(shù)方面發(fā)揮作用，開(kāi)發(fā)具有耐久性蓄電導(dǎo)電功能的智能化服裝，使服裝自身真正具備蓄電供電功能，方便與各種隨身攜帶的耗電型設(shè)備對(duì)接，提高這些設(shè)備的續(xù)航能力。再如，利用石墨烯材料可隨環(huán)境溫度變化發(fā)生形變的特性，可開(kāi)發(fā)袖子或裙擺能自動(dòng)伸縮變形、可長(zhǎng)可短的服裝，方便日常穿著；利用石墨烯材料的防紫外線、抗菌抑菌、耐熱和阻燃性能等特性，開(kāi)發(fā)各類防護(hù)服裝；利用石墨烯材料輕薄、蓄熱特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)更加輕薄、合體的冬季服裝等。而且，作為以有機(jī)礦物質(zhì)為主要原料來(lái)源的石墨烯材料，在規(guī)避有害化學(xué)、減少重金屬、農(nóng)藥侵害方面也具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以開(kāi)發(fā)出更多的綠色、安全的紡織服裝用品，進(jìn)一步滿足市場(chǎng)新需求。

石墨烯運(yùn)動(dòng)裝

石墨烯保暖服

石墨烯保暖內(nèi)衣

石墨烯智能發(fā)熱服