超級(jí)蒙烯材料：石墨烯家族的新成員

亓月，孫祿釗，劉忠范

1北京石墨烯研究院，北京 100095

2北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

1 引言

石墨烯是由sp2雜化的單層碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維原子晶體材料，是古老的碳材料家族的新成員，擁有無(wú)與倫比的物理化學(xué)性質(zhì)1-5。石墨烯有兩種基本形態(tài)。一種是石墨烯粉體，通常由數(shù)十納米到數(shù)十微米的微小石墨烯片堆積而成；另一種是通過(guò)碳源高溫裂解反應(yīng)生成的連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜。存在形態(tài)不同，性質(zhì)差異很大，用途也完全不同。石墨烯纖維是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新的石墨烯形態(tài)，通常從氧化石墨烯粉體出發(fā)，經(jīng)有序組裝、化學(xué)還原、高溫處理等工藝制得6-8。石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，作為初始結(jié)構(gòu)單元的氧化石墨烯微片通過(guò)化學(xué)還原和高溫化學(xué)反應(yīng)形成準(zhǔn)連續(xù)的石墨烯薄膜，其片層間的堆垛結(jié)構(gòu)依處理工藝差別很大9-11。從堆垛結(jié)構(gòu)上看，石墨烯纖維接近傳統(tǒng)石墨；而從宏觀形態(tài)上看，它類似于碳纖維。石墨烯粉體通過(guò)與高分子復(fù)合，可在一定程度上改善高分子材料的力學(xué)、電學(xué)乃至熱學(xué)性能，派生出一類石墨烯/高分子復(fù)合材料。

理論上講，高溫外延生長(zhǎng)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12-15。這種連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜通常生長(zhǎng)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12,16-21。金屬材料具有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，原子級(jí)厚度的石墨烯的優(yōu)良導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性會(huì)淹沒(méi)在宏觀厚度的金屬生長(zhǎng)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(zhǎng)襯底表面剝離下來(lái)，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(wú)疑是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，從某種意義上講，決定著連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜的發(fā)展未來(lái)，這是制約石墨烯薄膜應(yīng)用的瓶頸所在22。

超級(jí)蒙烯材料是本研究團(tuán)隊(duì)提出的新概念，為破解連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜應(yīng)用的剝離轉(zhuǎn)移瓶頸提供了一個(gè)全新的解決方案。通過(guò)高溫生長(zhǎng)過(guò)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(jí)厚度的石墨烯薄膜搭乘傳統(tǒng)材料載體走進(jìn)市場(chǎng)(圖1)。不同于石墨烯涂料在材料表面的物理涂敷，這種直接生長(zhǎng)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(wú)法比擬的。這也是冠之以“超級(jí)”的原因所在。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，超級(jí)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(wú)法自支撐問(wèn)題，同時(shí)回避了金屬襯底上薄膜生長(zhǎng)的剝離轉(zhuǎn)移難題。

圖1 超級(jí)蒙烯材料的概念示意圖Fig.1 Conceptual illustration of super graphene-skinned material.

超級(jí)蒙烯材料是一類新型石墨烯復(fù)合材料，通過(guò)高溫工藝實(shí)現(xiàn)石墨烯與傳統(tǒng)材料的直接復(fù)合。例如，利用特殊設(shè)計(jì)的化學(xué)氣相沉積工藝，在廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)玻璃纖維表面生長(zhǎng)石墨烯，即可得到新型“蒙烯玻璃纖維”材料。石墨烯蒙皮的存在賦予蒙烯玻璃纖維優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，為傳統(tǒng)玻璃纖維帶來(lái)全新的性能。尤其重要的是，納米級(jí)到亞微米厚度的石墨烯蒙皮基本上不改變襯底材料的宏觀形態(tài)，因此超級(jí)蒙烯材料具有工藝兼容性強(qiáng)的巨大優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)，將石墨烯薄膜推向?qū)嶋H應(yīng)用。

超級(jí)蒙烯材料是石墨烯家族的新成員，擁有豐富的內(nèi)涵和廣闊的發(fā)展空間。生長(zhǎng)襯底材料的選擇是發(fā)展超級(jí)蒙烯材料的關(guān)鍵所在。原理上講，襯底材料需要耐受石墨烯生長(zhǎng)所需要的高溫條件，確保其本征特性不發(fā)生顯著的改變。另一個(gè)重要條件是，能夠找到可行的工藝路線實(shí)現(xiàn)石墨烯的直接生長(zhǎng)。高品質(zhì)連續(xù)態(tài)石墨烯的可控生長(zhǎng)是實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異性能的重要前提。此外，襯底材料在工程領(lǐng)域已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，以便為超級(jí)蒙烯材料提供更多可選擇的應(yīng)用場(chǎng)景。

超級(jí)蒙烯材料可分為蒙烯非金屬材料和蒙烯金屬材料(圖2)。蒙烯玻璃纖維是典型的蒙烯非金屬材料。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(guò)在金屬襯底上生長(zhǎng)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(jí)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(jí)蒙烯材料家族。不同形態(tài)的超級(jí)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(jí)蒙烯材料家族的內(nèi)涵。

圖2 超級(jí)蒙烯材料的分類和主要形態(tài)Fig.2 Classification and main morphologies of super graphene-skinned materials.

2 蒙烯玻璃纖維

蒙烯玻璃纖維是超級(jí)蒙烯材料概念的第一個(gè)具體實(shí)例。通過(guò)高溫化學(xué)氣相沉積過(guò)程，在傳統(tǒng)玻璃纖維表面生長(zhǎng)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。

玻璃纖維是廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)工程材料，2019年全球玻璃纖維產(chǎn)量約800萬(wàn)噸。我國(guó)是玻璃纖維生產(chǎn)大國(guó)，全球占比達(dá)65%以上。玻璃纖維兼具輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、柔性等諸多優(yōu)異性能23-25，是國(guó)防軍工、航空航天、風(fēng)能發(fā)電、工程建筑等領(lǐng)域的重要基材，如飛機(jī)機(jī)身、火箭和導(dǎo)彈外殼、雷達(dá)罩等都采用玻璃纖維作為主要的復(fù)合材料增強(qiáng)體。蒙烯玻璃纖維繼承了玻璃纖維的本征特性，同時(shí)賦予其高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等新的性能(圖3)。原子級(jí)厚度的石墨烯薄膜可搭乘傳統(tǒng)玻璃纖維載體，走向?qū)嶋H應(yīng)用，從而開(kāi)辟出石墨烯材料應(yīng)用的新天地。

圖3 蒙烯玻璃纖維：石墨烯與玻璃纖維的完美性能疊加Fig.3 Graphene-skinned glass fiber:perfect combination of graphene and glass fiber.

制備蒙烯玻璃纖維材料存在著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。通常情況下，石墨烯的CVD生長(zhǎng)會(huì)選擇以銅、鎳為代表的金屬襯底。金屬襯底具有催化活性，對(duì)于碳源前驅(qū)體的裂解、石墨烯成核、外延生長(zhǎng)等基元過(guò)程有著良好的促進(jìn)作用，有助于提升石墨烯的結(jié)晶質(zhì)量、生長(zhǎng)速率以及層數(shù)可控性12-14。然而，玻璃纖維是非金屬材料，催化活性很弱，因此碳源前驅(qū)體的裂解過(guò)程主要是熱裂解。為了確保碳源前驅(qū)體充分裂解，CVD生長(zhǎng)溫度通常很高，這就要求玻璃纖維材料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。事實(shí)上，除石英纖維以外，普通玻璃纖維材料很難滿足這一苛刻的生長(zhǎng)條件。在由C—O四面體骨架構(gòu)成的非晶態(tài)玻璃纖維表面，活性碳物種的擴(kuò)散勢(shì)壘非常高26,27，導(dǎo)致生長(zhǎng)的石墨烯疇區(qū)尺寸很小，且取向不可控。通常情況下，玻璃纖維上生長(zhǎng)的石墨烯存在疇區(qū)尺寸小、缺陷密度高、層數(shù)可控性差、均勻性差、生長(zhǎng)速率慢等問(wèn)題。此外，與平面襯底上的CVD生長(zhǎng)不同，玻璃纖維絲束及其織物的特殊結(jié)構(gòu)形態(tài)也給傳質(zhì)和傳熱過(guò)程設(shè)計(jì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

2013年以來(lái)，本研究團(tuán)隊(duì)一直致力于傳統(tǒng)玻璃表面石墨烯的生長(zhǎng)方法研究，發(fā)展了一系列創(chuàng)新性的高質(zhì)量石墨烯生長(zhǎng)方法，材料體系從平面玻璃到石英光纖26,28-31，進(jìn)一步拓展到玻璃(石英)纖維32,33。針對(duì)玻璃纖維上的石墨烯生長(zhǎng)問(wèn)題，通過(guò)空間限域生長(zhǎng)、生長(zhǎng)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(chǎng)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(圖4)34-37。例如，針對(duì)玻璃纖維織物表面上石墨烯大面積生長(zhǎng)均勻性差的難題，發(fā)明了“互補(bǔ)性碳源生長(zhǎng)法”，通過(guò)不同裂解溫度的混合碳源設(shè)計(jì)，調(diào)控活性碳物種沿流場(chǎng)方向的濃度分布，制備出大面積均勻的蒙烯玻璃纖維織物。

圖4 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(zhǎng)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37Fig.4 Preparation of graphene-skinned glass fiber.(a)Schematic of graphene CVD growth on glass fiber and fabric;(b)Photographs of graphene-skinned glass fiber and fabric.(a,b)Adapted from ACS Publications 37.

蒙烯玻璃纖維的低成本和規(guī)模化制備是走向?qū)嶋H應(yīng)用的前提。在放大的CVD生長(zhǎng)系統(tǒng)中，大腔體內(nèi)流場(chǎng)與熱場(chǎng)的均勻性控制難度大幅增加，直接影響著石墨烯在玻璃纖維表面的生長(zhǎng)質(zhì)量、速率、均勻性等關(guān)鍵指標(biāo)，最終制約著材料生產(chǎn)的品質(zhì)、產(chǎn)能與成本。在利用靜態(tài)CVD系統(tǒng)制備大面積蒙烯玻璃纖維織物的過(guò)程中，活性碳物種沿流場(chǎng)方向的不均勻分布直接導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)均勻度下降，進(jìn)而造成生產(chǎn)良率的降低。同時(shí)，由于玻璃纖維的催化惰性，石墨烯的生長(zhǎng)速率通常很低，因此成為制約產(chǎn)能提升和生產(chǎn)成本降低的關(guān)鍵因素。

利用玻璃纖維織物輕質(zhì)、柔性、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)“卷對(duì)卷”規(guī)?；疌VD生長(zhǎng)系統(tǒng)，并對(duì)氣體流場(chǎng)、生長(zhǎng)區(qū)熱場(chǎng)、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。在該系統(tǒng)中，玻璃纖維織物以均勻的速度連續(xù)傳入CVD腔室內(nèi)完成石墨烯的高溫沉積生長(zhǎng)，最大可能地保障織物表面不同位置都經(jīng)歷相同的流場(chǎng)與熱場(chǎng)環(huán)境，從而大幅提升生長(zhǎng)均勻性。目前，本團(tuán)隊(duì)已成功突破蒙烯玻璃纖維織物的放量制備工藝，建成了年產(chǎn)能10000平方米的中試生產(chǎn)示范線(圖5)。需要指出的是，目前蒙烯玻璃纖維的生產(chǎn)成本仍然較高，尺寸、良率受限于裝備制造技術(shù)與材料制備工藝，這也是蒙烯玻璃纖維材料制備領(lǐng)域的未來(lái)攻關(guān)重點(diǎn)。

圖5 蒙烯玻璃纖維織物的規(guī)?；苽?。(a-c)動(dòng)態(tài)“卷對(duì)卷”規(guī)模化制備系統(tǒng)；(d)蒙烯玻璃纖維織物實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Mass production of graphene-skinned glass fiber fabric.(a-c)Roll to roll growth system;(d)Photographs of graphene-skinned glass fiber fabric.

與物理涂覆方法制備的石墨烯/玻璃纖維復(fù)合材料不同，高溫生長(zhǎng)工藝既保證了石墨烯薄膜的連續(xù)性和高性能，又保證了石墨烯與玻璃纖維之間的強(qiáng)附著力。通過(guò)調(diào)控石墨烯的厚度，蒙烯玻璃纖維的面電阻可在1-5000 Ω·sq-1范圍內(nèi)調(diào)控。蒙烯玻璃纖維完美地結(jié)合了石墨烯和玻璃纖維的優(yōu)良特性，是一種全新的柔性導(dǎo)電導(dǎo)熱材料，有望成為電熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的殺手锏級(jí)材料。研究表明，蒙烯玻璃纖維織物擁有極為出色的電加熱性能，在～9.3 W·cm-2功率密度下，升溫速率達(dá)～190 °C·s-1，且達(dá)到飽和溫度后的溫度不均勻性＜ 3%(20 cm×15 cm)(圖6)37。蒙烯玻璃纖維還具有優(yōu)異的紅外輻射性能，表現(xiàn)出良好的灰體輻射特性，紅外發(fā)射率高達(dá)～0.9235,36。與鐵鉻合金、鎳鉻合金等傳統(tǒng)電加熱材料相比，蒙烯玻璃纖維擁有超高的電熱轉(zhuǎn)換效率，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高達(dá)～94%。因此，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。

圖6 蒙烯玻璃纖維織物優(yōu)異的電加熱性能37。(a)織物均勻的面電阻分布；蒙烯玻璃纖維基電加熱器件示意圖(b)、電加熱溫度分布(c)以及電加熱升溫曲線(d)Fig.6 Excellent electrothermal performances of graphene-skinned glass fiber fabric 37.(a)Uniform sheet resistance distribution.Schematic(b),temperature distribution(c)and temperature-rising curves(d)of graphene-skinned glass fiber fabric-based heater.(a-d)Adapted from ACS Publications.

眾所周知，高性能復(fù)合材料大量用于空天飛行器、武器裝備、風(fēng)機(jī)葉片等制造過(guò)程中，玻璃纖維則是其中重要的構(gòu)成單元，已經(jīng)形成成熟的復(fù)材加工和成型工藝。原理上講，納米級(jí)到亞微米級(jí)厚度的石墨烯薄膜的引入基本不會(huì)改變相關(guān)工藝流程，也不會(huì)影響玻璃纖維制件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能(圖7)。因此，蒙烯玻璃纖維材料的一大優(yōu)勢(shì)是其良好的體系兼容性和工藝兼容性，這是其走向?qū)嶋H應(yīng)用的巨大推力。

蒙烯玻璃纖維材料在飛行器的防除冰領(lǐng)域取得了巨大成功，顯示出不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。飛行器高速飛行過(guò)程中，機(jī)翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道等關(guān)鍵位置的結(jié)冰一直是困擾航空領(lǐng)域的難題。目前，金屬基電加熱技術(shù)是實(shí)現(xiàn)防除冰的有效手段，其防冰效果好，除冰效率高，性能穩(wěn)定。但是，傳統(tǒng)金屬基電熱材料面臨著高功耗、低柔性、不耐極端環(huán)境等問(wèn)題。同時(shí)，基于飛行器輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，復(fù)合材料的使用比例不斷攀升，玻璃纖維作為重要的復(fù)合材料基材在飛行器中已得到大量應(yīng)用，隨之而來(lái)的是金屬基電加熱防除冰材料與復(fù)合材料之間的結(jié)合強(qiáng)度和穩(wěn)定性問(wèn)題。蒙烯玻璃纖維的問(wèn)世完美地解決了這一技術(shù)難題，尤其其良好的透波性能使其成為特種應(yīng)用領(lǐng)域的殺手锏材料。

蒙烯玻璃纖維是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的超級(jí)蒙烯材料，展示了超級(jí)蒙烯材料的巨大理論價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景，為原子級(jí)厚度的石墨烯走向應(yīng)用開(kāi)辟了全新的路徑，也為新型石墨烯基復(fù)合材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。

3 展望

正如前述蒙烯玻璃纖維的具體案例，我們可以通過(guò)巧妙的載體選擇和材料設(shè)計(jì)，架起連接理想的單層石墨烯基元到實(shí)用宏觀材料的橋梁，實(shí)現(xiàn)石墨烯的優(yōu)異特性向宏觀實(shí)用場(chǎng)景的有效傳遞。在超級(jí)蒙烯材料設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中，襯底材料的選擇和預(yù)處理、石墨烯的可控生長(zhǎng)、石墨烯—襯底的界面調(diào)控、后加工成型以及批量制備工藝與裝備等極為關(guān)鍵，也是超級(jí)蒙烯材料走向應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于超級(jí)蒙烯材料的多樣性和復(fù)雜的電子聲子耦合，這一全新的復(fù)合材料領(lǐng)域有可能孕育新的物理發(fā)現(xiàn)，催生新的技術(shù)創(chuàng)新，甚至引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命。

支撐襯底的選擇是超級(jí)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。支撐襯底可分為非金屬和金屬兩大類別。上文詳細(xì)介紹了蒙烯玻璃(石英)纖維材料。實(shí)際上，很多常見(jiàn)的非金屬材料(如氧化鋁、氮化硼、碳化硅等)表面，都有直接高溫生長(zhǎng)石墨烯的研究報(bào)道38-42，這說(shuō)明以這些材料為襯底的超級(jí)蒙烯材料制備具有可行性。尤其是在藍(lán)寶石(α-Al2O3)表面，通過(guò)甚高溫方法生長(zhǎng)得到的石墨烯薄膜質(zhì)量很高，層數(shù)和結(jié)構(gòu)的控制性也很好40；而氧化鋁纖維作為一類新型氧化物纖維材料，具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度、耐高溫、機(jī)械柔性、化學(xué)穩(wěn)定性以及絕緣性，已逐漸成為新材料領(lǐng)域的翹楚。在超級(jí)蒙烯材料設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下誕生的蒙烯氧化鋁纖維集石墨烯和氧化鋁纖維的優(yōu)異特性于一身，有望成為新一代輕質(zhì)高強(qiáng)、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱復(fù)合材料。

大多數(shù)過(guò)渡金屬因具有部分填充的d軌道，或者能形成可吸附和活化反應(yīng)介質(zhì)的中間產(chǎn)物而表現(xiàn)出良好的催化活性，是高品質(zhì)石墨烯生長(zhǎng)的良好襯底21,43。而以銅、鋁、銦、錫等金屬材料為代表的導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料，被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍工的各個(gè)領(lǐng)域，例如輸配電網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)微波管、電磁屏蔽、電子芯片封裝等。隨著這些領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)金屬材料提出了更高的要求，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、耐腐蝕、抗電磁屏蔽等特性的金屬基復(fù)合材料成為眾多高端裝備的亟需材料44。已有研究表明，石墨烯蒙皮的引入可顯著改善金屬材料的性能。例如，以銅箔、銅絲、銅網(wǎng)、銅粉等不同形態(tài)的金屬銅材作為支撐襯底生長(zhǎng)石墨烯，再經(jīng)過(guò)熱壓復(fù)合等工藝處理，可得到具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、高載流量的蒙烯銅材料45-49；利用化學(xué)氣相沉積方法在銅、鋁表面生長(zhǎng)少層石墨烯或垂直石墨烯納米片，可顯著提升金屬材料的電磁屏蔽效能，增強(qiáng)抗腐蝕能力50,51。這種全新的金屬基蒙烯材料有望促進(jìn)飛行器電纜、電機(jī)、電觸頭、隱身涂層基板、雷達(dá)微波行波管等結(jié)構(gòu)功能部件的升級(jí)換代，在飛行器減重、防雷擊以及電磁對(duì)抗、電磁防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在超級(jí)蒙烯材料中，作為支撐襯底的體相材料仍發(fā)揮著重要作用，石墨烯通過(guò)蒙皮或以復(fù)合界面的形式介入其中，帶來(lái)新的功能(如導(dǎo)電、導(dǎo)熱增強(qiáng)等)。由于石墨烯“蒙皮”很薄，從單原子層到亞微米厚度可調(diào)，而支撐襯底材料的特征尺寸通常都在微米到毫米量級(jí)，因此如何有效提高石墨烯的相對(duì)比重、構(gòu)筑連續(xù)的石墨烯網(wǎng)絡(luò)、調(diào)控石墨烯與襯底材料的耦合強(qiáng)度，以最大化地發(fā)揮石墨烯的性能，成為超級(jí)蒙烯材料設(shè)計(jì)與制備的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題48,52,53。后加工工藝可為超級(jí)蒙烯材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能改善提供新的調(diào)控空間。各種蒙烯金屬材料基元的進(jìn)一步復(fù)合成型可制造出豐富的界面結(jié)構(gòu)48,54?？梢韵胂螅诖祟愋滦蛷?fù)合材料體系中，石墨烯會(huì)帶來(lái)更多的導(dǎo)電、導(dǎo)熱通道，而金屬為石墨烯提供更多的載流子55。需指出的是，高溫生長(zhǎng)過(guò)程、后加工工藝以及石墨烯與金屬襯底的相互作用可能導(dǎo)致金屬襯底的體相結(jié)構(gòu)重構(gòu)56-59，進(jìn)而帶來(lái)新的調(diào)控空間或需要解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。此外，對(duì)于超級(jí)蒙烯纖維材料來(lái)說(shuō)，不同的編制結(jié)構(gòu)和圖案化設(shè)計(jì)也會(huì)影響其力學(xué)、熱學(xué)和電磁學(xué)性能。近年來(lái)，粉末冶金、增材制造、復(fù)材加工成型等相關(guān)領(lǐng)域的快速技術(shù)進(jìn)步也為超級(jí)蒙烯材料的發(fā)展提供了良好的技術(shù)依托48。

應(yīng)當(dāng)指出的是，超級(jí)蒙烯材料研究尚處于起步階段，在材料設(shè)計(jì)、高溫生長(zhǎng)、物性測(cè)量和應(yīng)用探索方面空間巨大。例如，蒙烯粉體材料比表面積大，易于加工，有利于發(fā)揮石墨烯的優(yōu)異性能，但高溫生長(zhǎng)過(guò)程面臨著難以分散、易于團(tuán)聚、不易工程放大等難題。對(duì)蒙烯金屬粉體制備來(lái)說(shuō)尤其如此，有效控制高溫生長(zhǎng)過(guò)程中的金屬粉體團(tuán)聚和碳源前驅(qū)體傳質(zhì)至關(guān)重要。針對(duì)這些問(wèn)題，人們發(fā)展了鼓泡化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)方法49，但生長(zhǎng)效率和粉體質(zhì)量的控制仍有很大的提升空間。對(duì)于蒙烯非金屬材料，由于缺乏催化活性，通常石墨烯的質(zhì)量和生長(zhǎng)速率較低。為解決這些問(wèn)題，人們發(fā)展了限域空間法、助催化法、甚高溫法等特殊生長(zhǎng)方法，與金屬表面催化生長(zhǎng)的石墨烯相比仍有顯著的差距32,40,41,60-64。此外，目前所報(bào)道的蒙烯金屬僅限于銅和鋁，其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性提升的物理機(jī)制尚不清晰，石墨烯與金屬界面結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法和規(guī)?；苽涔に囘€遠(yuǎn)未成熟。

在應(yīng)用探索方面，石墨烯的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性為人們所青睞，超級(jí)蒙烯材料的問(wèn)世有望促進(jìn)電力電纜、信號(hào)傳輸、導(dǎo)熱散熱等結(jié)構(gòu)功能器件的升級(jí)換代。需要關(guān)注的是，具體應(yīng)用場(chǎng)景下超級(jí)蒙烯材料的短板，如高溫生長(zhǎng)工藝帶來(lái)的載體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化等。有針對(duì)性地發(fā)展超級(jí)蒙烯材料的生長(zhǎng)方法、規(guī)?；に嚭脱b備是這一新興領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。毋庸置疑，這一新概念材料的提出將有力推動(dòng)石墨烯與傳統(tǒng)材料的融合，為破解連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜材料的實(shí)用化開(kāi)辟新路，為加快石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)落地提供新的動(dòng)力。

Author Contributions:Conceptualization,Zhongfan Liu;Writing - Original Draft Preparation,Yue Qi,Luzhao Sun;Writing - Review &Editing,Yue Qi,Luzhao Sun,Zhongfan Liu;Supervision,Zhongfan Liu.