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研究背景

石墨烯有三种不同的形态：粉体；薄膜；纤维。材料形态不同，用途也不一样。

理论上讲，高温外延生长而成的连续态单晶石墨烯薄膜最能体现石墨烯的本征优异特性，如超高载流子迁移率、极高的热导率以及超强的力学强度等。

超洁净石墨烯薄膜

这种连续态石墨烯薄膜通常生长在铜、镍等金属表面，金属的作用是降低碳源裂解温度和石墨化温度。金属材料具有很好的导电性和导热性，原子级厚度的石墨烯的优良导电、导热特性会淹没在宏观厚度的金属生长衬底贡献的电子汪洋大海背景中。因此，在实际应用中，需要将石墨烯从金属生长衬底表面剥离下来，转移到目标支撑衬底上。

实现单原子层厚度的石墨烯剥离转移无疑是一个巨大的技术挑战，是制约石墨烯薄膜应用的瓶颈所在。

概念提出

超级蒙烯材料是北京石墨烯研究院研究团队（简称BGI）提出的新概念。

通过高温生长过程和巧妙的工艺设计，在传统材料表面沉积连续态石墨烯薄膜。借助高性能石墨烯“蒙皮”，赋予传统材料全新的功能，让原子级厚度的石墨烯薄膜搭乘传统材料载体走进市场。

不同于石墨烯涂料在材料表面的物理涂敷，这种直接生长的连续态石墨烯“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无法比拟的。

超级蒙烯材料体现了连续态石墨烯薄膜应用的新理念，借助传统材料衬底，解决了超薄石墨烯薄膜的无法自支撑问题，同时回避了金属衬底上薄膜生长的剥离转移难题。

超级蒙烯材料的概念示意图

由于纳米级到亚微米厚度的石墨烯蒙皮基本上不改变支撑衬底材料的宏观形态，因此超级蒙烯材料具有工艺兼容性强的巨大优势，在不改变现役工程材料加工工艺的前提下发挥其独特的功能，可借力现役工程材料的广阔应用市场，将石墨烯薄膜推向实际应用。

超级蒙烯材料家族

支撑衬底的选择是超级蒙烯材料设计的关键所在，决定着制备可行性、材料性能以及应用前景。

超级蒙烯材料可分为蒙烯非金属材料和蒙烯金属材料。

蒙烯玻璃纤维、蒙烯氧化铝、蒙烯碳化硅以及蒙烯氮化硼等都是蒙烯非金属材料家族的重要成员。

蒙烯金属材料通过在金属衬底上生长石墨烯获得，包括蒙烯铜、蒙烯镍、蒙烯铟、蒙烯锡、蒙烯钢等诸多种类。

按照衬底材料的形态分类，超级蒙烯材料又可以细分为蒙烯箔材、蒙烯纤维、蒙烯粉体以及蒙烯泡沫等多种形态，构成琳琅满目的超级蒙烯材料家族。不同形态的超级蒙烯材料进行后加工处理或者与其他材料复合，将进一步丰富超级蒙烯材料家族的内涵。

超级蒙烯材料的分类和主要形态

典型代表：蒙烯玻璃纤维

蒙烯玻璃纤维是超级蒙烯材料概念的第一个具体实例，通过高温化学气相沉积过程，在传统玻璃纤维表面生长连续态石墨烯薄膜，实现石墨烯与玻璃纤维的有机结合，是一类全新的石墨烯/玻璃纤维复合材料。

蒙烯玻璃纤维：石墨烯与玻璃纤维的完美性能叠加

BGI团队针对玻璃纤维上的石墨烯生长问题，通过空间限域生长、生长助剂引入、碳源前驱体设计、衬底表面调控以及流场设计等手段，打破了玻璃纤维衬底在碳源裂解、石墨烯成核、层数控制、结晶质量以及均匀性等方面的局限性，实现了高质量蒙烯玻璃纤维丝束和织物的可控制备。

蒙烯玻璃纤维的制备方法

(a)纤维丝束和织物上石墨烯CVD生长示意图；(b)蒙烯玻璃纤维丝束(左)和蒙烯玻璃纤维织物(右)的实物照片

此外，利用玻璃纤维织物轻质、柔性、高强度的特点，BGI团队设计了动态“卷对卷”规模化CVD生长系统，并对气体流场、生长区热场、温度控制系统、进料控制系统等关键模块进行了系统集成，研制 出第一代蒙烯玻璃纤维织物规模化制备装备。

蒙烯玻璃纤维织物的规模化制备

(a–c)动态“卷对卷”规模化制备系统；(d)蒙烯玻璃纤维织物实物照片

目前，BGI正在建造规划2条第三代卷对卷产线，进一步提升产能以应对日渐增长的各类需求。

全球首台米级宽幅蒙烯玻璃纤维织物卷对卷制备系统

产能达20000平方米每年

作为新一代轻质、柔性的电热转换材料，蒙烯玻璃纤维在电加热、辐射热管理等领域拥有巨大的应用潜力。已成功用在飞行器的防除冰领域。

小结

超级蒙烯材料新概念的提出将有力推动石墨烯与传统材料的融合，为连续态石墨烯薄膜材料的实用化开辟新路，为加快石墨烯材料的产业落地提供新的动力，有望促进电力电缆、信号传输、导热散热等结构功能器件的升级换代。

超级蒙烯材料研究尚处于起步阶段，在材料设计、高温生长、物性测量和应用探索方面空间巨大。

资料来源：

亓月,孙禄钊,刘忠范.超级蒙烯材料：石墨烯家族的新成员

北京石墨烯研究院

（中国粉体网编辑整理/黑金）

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