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研究背景
石墨烯有三種不同的形態(tài)：粉體；薄膜；纖維。材料形態(tài)不同，用途也不一樣。
理論上講，高溫外延生長而成的連續(xù)態(tài)單晶石墨烯薄膜最能體現(xiàn)石墨烯的本征優(yōu)異特性，如超高載流子遷移率、極高的熱導(dǎo)率以及超強(qiáng)的力學(xué)強(qiáng)度等。
超潔凈石墨烯薄膜
這種連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜通常生長在銅、鎳等金屬表面，金屬的作用是降低碳源裂解溫度和石墨化溫度。金屬材料具有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，原子級厚度的石墨烯的優(yōu)良導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性會淹沒在宏觀厚度的金屬生長襯底貢獻(xiàn)的電子汪洋大海背景中。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要將石墨烯從金屬生長襯底表面剝離下來，轉(zhuǎn)移到目標(biāo)支撐襯底上。
實(shí)現(xiàn)單原子層厚度的石墨烯剝離轉(zhuǎn)移無疑是一個巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，是制約石墨烯薄膜應(yīng)用的瓶頸所在。
概念提出
超級蒙烯材料是北京石墨烯研究院研究團(tuán)隊(duì)（簡稱BGI）提出的新概念。
通過高溫生長過程和巧妙的工藝設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)材料表面沉積連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜。借助高性能石墨烯“蒙皮”，賦予傳統(tǒng)材料全新的功能，讓原子級厚度的石墨烯薄膜搭乘傳統(tǒng)材料載體走進(jìn)市場。
不同于石墨烯涂料在材料表面的物理涂敷，這種直接生長的連續(xù)態(tài)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無法比擬的。
超級蒙烯材料體現(xiàn)了連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜應(yīng)用的新理念，借助傳統(tǒng)材料襯底，解決了超薄石墨烯薄膜的無法自支撐問題，同時(shí)回避了金屬襯底上薄膜生長的剝離轉(zhuǎn)移難題。
超級蒙烯材料的概念示意圖
由于納米級到亞微米厚度的石墨烯蒙皮基本上不改變支撐襯底材料的宏觀形態(tài)，因此超級蒙烯材料具有工藝兼容性強(qiáng)的巨大優(yōu)勢，在不改變現(xiàn)役工程材料加工工藝的前提下發(fā)揮其獨(dú)特的功能，可借力現(xiàn)役工程材料的廣闊應(yīng)用市場，將石墨烯薄膜推向?qū)嶋H應(yīng)用。
超級蒙烯材料家族
支撐襯底的選擇是超級蒙烯材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，決定著制備可行性、材料性能以及應(yīng)用前景。
超級蒙烯材料可分為蒙烯非金屬材料和蒙烯金屬材料。
蒙烯玻璃纖維、蒙烯氧化鋁、蒙烯碳化硅以及蒙烯氮化硼等都是蒙烯非金屬材料家族的重要成員。
蒙烯金屬材料通過在金屬襯底上生長石墨烯獲得，包括蒙烯銅、蒙烯鎳、蒙烯銦、蒙烯錫、蒙烯鋼等諸多種類。
按照襯底材料的形態(tài)分類，超級蒙烯材料又可以細(xì)分為蒙烯箔材、蒙烯纖維、蒙烯粉體以及蒙烯泡沫等多種形態(tài)，構(gòu)成琳瑯滿目的超級蒙烯材料家族。不同形態(tài)的超級蒙烯材料進(jìn)行后加工處理或者與其他材料復(fù)合，將進(jìn)一步豐富超級蒙烯材料家族的內(nèi)涵。
超級蒙烯材料的分類和主要形態(tài)
典型代表：蒙烯玻璃纖維
蒙烯玻璃纖維是超級蒙烯材料概念的第一個具體實(shí)例，通過高溫化學(xué)氣相沉積過程，在傳統(tǒng)玻璃纖維表面生長連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜，實(shí)現(xiàn)石墨烯與玻璃纖維的有機(jī)結(jié)合，是一類全新的石墨烯/玻璃纖維復(fù)合材料。
蒙烯玻璃纖維：石墨烯與玻璃纖維的完美性能疊加
BGI團(tuán)隊(duì)針對玻璃纖維上的石墨烯生長問題，通過空間限域生長、生長助劑引入、碳源前驅(qū)體設(shè)計(jì)、襯底表面調(diào)控以及流場設(shè)計(jì)等手段，打破了玻璃纖維襯底在碳源裂解、石墨烯成核、層數(shù)控制、結(jié)晶質(zhì)量以及均勻性等方面的局限性，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量蒙烯玻璃纖維絲束和織物的可控制備。
蒙烯玻璃纖維的制備方法
(a)纖維絲束和織物上石墨烯CVD生長示意圖；(b)蒙烯玻璃纖維絲束(左)和蒙烯玻璃纖維織物(右)的實(shí)物照片
此外，利用玻璃纖維織物輕質(zhì)、柔性、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，BGI團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了動態(tài)“卷對卷”規(guī)�；疌VD生長系統(tǒng)，并對氣體流場、生長區(qū)熱場、溫度控制系統(tǒng)、進(jìn)料控制系統(tǒng)等關(guān)鍵模塊進(jìn)行了系統(tǒng)集成，研制 出第一代蒙烯玻璃纖維織物規(guī)�；苽溲b備。
蒙烯玻璃纖維織物的規(guī)模化制備
(a–c)動態(tài)“卷對卷”規(guī)�；苽湎到y(tǒng)；(d)蒙烯玻璃纖維織物實(shí)物照片
目前，BGI正在建造規(guī)劃2條第三代卷對卷產(chǎn)線，進(jìn)一步提升產(chǎn)能以應(yīng)對日漸增長的各類需求。
全球首臺米級寬幅蒙烯玻璃纖維織物卷對卷制備系統(tǒng)
產(chǎn)能達(dá)20000平方米每年
作為新一代輕質(zhì)、柔性的電熱轉(zhuǎn)換材料，蒙烯玻璃纖維在電加熱、輻射熱管理等領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。已成功用在飛行器的防除冰領(lǐng)域。
小結(jié)
超級蒙烯材料新概念的提出將有力推動石墨烯與傳統(tǒng)材料的融合，為連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜材料的實(shí)用化開辟新路，為加快石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)落地提供新的動力，有望促進(jìn)電力電纜、信號傳輸、導(dǎo)熱散熱等結(jié)構(gòu)功能器件的升級換代。
超級蒙烯材料研究尚處于起步階段，在材料設(shè)計(jì)、高溫生長、物性測量和應(yīng)用探索方面空間巨大。
資料來源：
亓月,孫祿釗,劉忠范.超級蒙烯材料：石墨烯家族的新成員
北京石墨烯研究院
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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