近日，中國化學會和北京大學共同主辦的物理化學學報刊登了北京石墨烯研究院與北京大學化學與分子工程學院聯合發表的“超級蒙烯材料：石墨烯家族的新成員”一文，在行業內引起了關注和反響。

引言

石墨烯是由sp2雜化的單層碳原子構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，擁有無與倫比的物理化學性質。

石墨烯有兩種基本形態。一種是石墨烯粉體，通常由數十納米到數十微米的微小石墨烯片堆積而成；另一種是通過碳源高溫裂解反應生成的連續態石墨烯薄膜。

存在形態不同，性質差異很大，用途也完全不同。石墨烯纖維是近年來發展起來的新的石墨烯形態，通常從氧化石墨烯粉體出發，經有序組裝、 化學還原、高溫處理等工藝制得。

石墨烯纖維的結構比較復雜，作為初始結構單元的氧化石墨烯微片通過化學還原和高溫化學反應形成準連續的石墨烯薄膜，其片層間的堆垛結構依處理工藝差別很大。

從堆垛結構上看，石墨烯纖維接近傳統石墨；而從宏觀形態上看，它類似于碳纖維。石墨烯粉體通過與高分子復合，可在一定程度上改善高分子材料的力學、電學乃至熱學性能，派生出一類石墨烯/高分子復合材料。

理論上講，高溫外延生長而成的連續態單晶石墨烯薄膜最能體現石墨烯的本征優異特性，如超高載流子遷移率、極高的熱導率以及超強的力學強度等。這種連續態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電性和導熱性，原子級厚度的石墨烯的優良導電、導熱特性會淹沒在宏觀厚度的金屬生長襯底貢獻的電子汪洋大海背景中。

因此，在實際應用中，需要將石墨烯從金屬生長襯底表面剝離下來，轉移到目標支撐襯底上。實現單原子層厚度的石墨烯剝離轉移無疑是一個巨大的技術挑戰，從某種意義上講，決定著連續態石墨烯薄膜的發展未來，這是制約石墨烯薄膜應用的瓶頸所在。

超級蒙烯材料是本研究團隊提出的新概念，為破解連續態石墨烯薄膜應用的剝離轉移瓶頸提供了一個全新的解決方案。通過高溫生長過程和巧妙的工藝設計，在傳統材料表面沉積連續態石墨烯薄膜。

借助高性能石墨烯“蒙皮”，賦予傳統材料全新的功能，讓原子級厚度的石墨烯薄膜搭乘傳統材料載體走進市場(圖1)。

不同于石墨烯涂料在材料表面的物理涂敷，這種直接生長的連續態石墨烯“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。這也是冠之以“超級”的原因所在。

需要強調指出的是，超級蒙烯材料體現了連續態石墨烯薄膜應用的新理念，借助傳統材料襯底，解決了超薄石墨烯薄膜的無法自支撐問題，同時回避了金屬襯底上薄膜生長的剝離轉移難題。

超級蒙烯材料是一類新型石墨烯復合材料，通過高溫工藝實現石墨烯與傳統材料的直接復合。例如，利用特殊設計的化學氣相沉積工藝，在廣泛應用的傳統玻璃纖維表面生長石墨烯，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良的導電性和導熱性，為傳統玻璃纖維帶來全新的性能。

尤其重要的是，納米級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，因此超級蒙烯材料具有工藝兼容性強的巨大優勢，在不改變現役工程材料加工工藝的前提下發揮其獨特的功能，可借力現役工程材料的廣闊應用市場，將石墨烯薄膜推向實際應用。

超級蒙烯材料是石墨烯家族的新成員，擁有豐富的內涵和廣闊的發展空間。生長襯底材料的選擇是發展超級蒙烯材料的關鍵所在。

原理上講，襯底材料需要耐受石墨烯生長所需要的高溫條件，確保其本征特性不發生顯著的改變。另一個重要條件是，能夠找到可行的工藝路線實現石墨烯的直接生長。高品質連續態石墨烯的可控生長是實現其優異性能的重要前提。

此外，襯底材料在工程領域已經獲得廣泛應用，以便為超級蒙烯材料提供更多可選擇的應用場景。

超級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分類，超級蒙烯材料又可以細分為蒙烯箔材、蒙烯纖維、蒙烯粉體以及蒙烯泡沫等多種形態，構成琳瑯滿目的超級蒙烯材料家族。不同形態的超級蒙烯材料進行后加工處理或者與其他材料復合，將進一步豐富超級蒙烯材料家族的內涵。

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例。通過高溫化學氣相沉積過程，在傳統玻璃纖維表面生長連續態石墨烯薄膜，實現石墨烯與玻璃纖維的有機結合，是一類全新的石墨烯/玻璃纖維復合材料。

玻璃纖維是廣泛應用的傳統工程材料，2019 年全球玻璃纖維產量約800萬噸。我國是玻璃纖維生產大國，全球占比達65%以上。

玻璃纖維兼具輕質、高強、耐高溫、柔性等諸多優異性能，是國防軍工、航空航天、風能發電、工程建筑等領域的重要基材，如飛機機身、火箭和導彈外殼、雷達罩等都采用玻璃纖維作為主要的復合材料增強體。

蒙烯玻璃纖維繼承了玻璃纖維的本征特性，同時賦予其高導電、高導熱等新的性能(圖3)。原子級厚度的石墨烯薄膜可搭乘傳統玻璃纖維載體，走向實際應用，從而開辟出石墨烯材料應用的新天地。

制備蒙烯玻璃纖維材料存在著諸多技術挑戰。通常情況下，石墨烯的CVD生長會選擇以銅、鎳為代表的金屬襯底。

金屬襯底具有催化活性，對于碳源前驅體的裂解、石墨烯成核、外延生長等基元過程有著良好的促進作用，有助于提升石墨烯的結晶質量、生長速率以及層數可控性。

然而，玻璃纖維是非金屬材料，催化活性很弱，因此碳源前驅體的裂解過程主要是熱裂解。為了確保碳源前驅體充分裂解，CVD生長溫度通常很高，這就要求玻璃纖維材料具有優異的高溫穩定性。

事實上，除石英纖維以外，普通玻璃纖維材料很難滿足這 一苛刻的生長條件。在由C―O四面體骨架構成的非晶態玻璃纖維表面，活性碳物種的擴散勢壘非常高，導致生長的石墨烯疇區尺寸很小，且取向不可控。

通常情況下，玻璃纖維上生長的石墨烯 存在疇區尺寸小、缺陷密度高、層數可控性差、均勻性差、生長速率慢等問題。此外，與平面襯底上的CVD生長不同，玻璃纖維絲束及其織物的特殊結構形態也給傳質和傳熱過程設計帶來新的挑戰。

2013年以來，本研究團隊一直致力于傳統玻璃表面石墨烯的生長方法研究，發展了一系列創新性的高質量石墨烯生長方法，材料體系從平面玻璃到石英光纖，進一步拓展到玻璃(石英)纖維。

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、碳源前驅體設計、襯底表面調控以及流場設計等手段，打破了玻璃纖維襯底在碳源裂解、石墨烯成核、層數控制、結晶質量以及均勻性等方面的局限性，實現了高質量蒙烯玻璃纖維絲束和織物的可控制備(圖4)。

例如，針對玻璃纖維織物表面上石墨烯大面積生長均勻性差的難題，發明了“互補性碳源生長法”，通過不同裂解溫度的混合碳源設計，調控活性碳物種沿流場方向的濃度分布，制備出大面積均勻的蒙烯玻璃纖維織物。

蒙烯玻璃纖維的低成本和規模化制備是走向實際應用的前提。在放大的CVD生長系統中，大腔體內流場與熱場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質量、速 率、均勻性等關鍵指標，最終制約著材料生產的品質、產能與成本。

在利用靜態CVD系統制備大面積蒙烯玻璃纖維織物的過程中，活性碳物種沿流場方向的不均勻分布直接導致石墨烯的生長均勻度下降，進而造成生產良率的降低。同時，由于玻璃纖維的催化惰性，石墨烯的生長速率通常很低，因此成為制約產能提升和生產成本降低的關鍵因素。

利用玻璃纖維織物輕質、柔性、高強度的特點，本團隊設計了動態“卷對卷”規模化CVD生長系統，并對氣體流場、生長區熱場、溫度控制系統、進料控制系統等關鍵模塊進行了系統集成，研制出第一代蒙烯玻璃纖維織物規模化制備裝備。

在該系統中，玻璃纖維織物以均勻的速度連續傳入CVD腔室內完成石墨烯的高溫沉積生長，最大可能地保障織物表面不同位置都經歷相同的流場與熱場環境，從而大幅提升生長均勻性。

目前，本團隊已成功突破蒙烯玻璃纖維織物的放量制備工藝，建成了年產能10000平方米的中試生產示范線(圖5)。需要指出的是，目前蒙烯玻璃纖維的生產成本仍然較高，尺寸、良率受限于裝備制造技術與材料制備工藝，這也是蒙烯玻璃纖維材料制備領域的未來攻關重點。

與物理涂覆方法制備的石墨烯/玻璃纖維復合材料不同，高溫生長工藝既保證了石墨烯薄膜的連續性和高性能，又保證了石墨烯與玻璃纖維之間的強附著力。

通過調控石墨烯的厚度，蒙烯玻璃纖維的面電阻可在1–5000Ω?sq?1范圍內調控。蒙烯玻璃纖維完美地結合了石墨烯和玻璃纖維的優良特性，是一種全新的柔性導電導熱材料，有望成為電熱轉換領域的殺手锏級材料。

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~190 °C?s?1，且達到飽和溫度后的溫度不均勻性< 3% (20 cm × 15 cm)(圖6) 。

蒙烯玻璃纖維還具有優異的紅外輻射性能，表現出良好的灰體輻射特性，紅外發射率高達~0.92 35,36。與鐵鉻合金、鎳鉻合金等傳統電加熱材料相比，蒙烯玻璃纖維擁有超高的電熱轉換效率，實測數據高~94%。

因此，作為新一代輕質、柔性的電熱轉換材料，蒙烯玻璃纖維在電加熱、輻射熱管理等領域擁有巨大的應用潛力。

眾所周知，高性能復合材料大量用于空天飛行器、武器裝備、風機葉片等制造過程中，玻璃纖維則是其中重要的構成單元，已經形成成熟的復材加工和成型工藝。

原理上講，納米級到亞微米級厚度的石墨烯薄膜的引入基本不會改變相關工藝流程，也不會影響玻璃纖維制件的內部結構與力學性能(圖7)。

因此，蒙烯玻璃纖維材料的一大優勢是其良好的體系兼容性和工藝兼容性，這是其走向實際應用的巨大推力。

蒙烯玻璃纖維材料在飛行器的防除冰領域取得了巨大成功，顯示出不可替代的獨特優勢。飛行器高速飛行過程中，機翼前緣、發動機進氣道等關鍵位置的結冰一直是困擾航空領域的難題。

目前，金屬基電加熱技術是實現防除冰的有效手段，其防冰效果好，除冰效率高，性能穩定。但是，傳統金屬基電熱材料面臨著高功耗、低柔性、不耐極端環境等問題。

同時，基于飛行器輕量化的發展趨勢，復合材料的使用比例不斷攀升，玻璃纖維作為重要的復合材料基材在飛行器中已得到大量應用，隨之而來的是金屬基電加熱防除冰材料與復合材料之間的結合強度和穩定性問題。蒙烯玻璃纖維的問世完美地解決了這一技術難題，尤其其良好的透波性能使其成為特種應用領域的殺手锏材料。

蒙烯玻璃纖維是第一個實現實際應用的超級蒙烯材料，展示了超級蒙烯材料的巨大理論價值和廣闊應用前景，為原子級厚度的石墨烯走向應用開辟了全新的路徑，也為新型石墨烯基復合材料設計提供了新的思路。

展望

正如前述蒙烯玻璃纖維的具體案例，我們可以通過巧妙的載體選擇和材料設計，架起連接理想的單層石墨烯基元到實用宏觀材料的橋梁，實現石墨烯的優異特性向宏觀實用場景的有效傳遞。

在超級蒙烯材料設計和制備過程中，襯底材料的選擇和預處理、石墨烯的可控生長、石墨烯—襯底的界面調控、后加工成型以及批量制備工藝與裝備等極為關鍵，也是超級蒙烯材料走向應用的基礎。

由于超級蒙烯材料的多樣性和復雜的電子聲子耦合，這一全新的復合材料領域有可能孕育新的物理發現，催生新的技術創新，甚至引發新的產業革命。

支撐襯底的選擇是超級蒙烯材料設計的關鍵所在，決定著制備可行性、材料性能以及應用前景。支撐襯底可分為非金屬和金屬兩大類別。

上文詳細介紹了蒙烯玻璃(石英)纖維材料。實際上，很多常見的非金屬材料(如氧化鋁、氮化硼、碳化硅等)表面，都有直接高溫生長石墨烯的研究報道，這說明以這些材料為襯底的超級蒙烯材料制備具有可行性。

尤其是在藍寶石(α-Al2O3)表面，通過甚高溫方法生長得到的石墨烯薄膜質量很高，層數和結構的控制性也很好；而氧化鋁纖維作為一類新型氧化物纖維材料，具有優異的力學強度、耐高溫、機械柔性、化學穩定性以及絕緣性，已逐漸成為新材料領域的翹楚。

在超級蒙烯材料設計理念指導下誕生的蒙烯氧化鋁纖維集石墨烯和氧化鋁纖維的優異特性于一身，有望成為新一代輕質高強、高導電、高導熱復合材料。

大多數過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介質的中間產物而表現出良好的催化活性，是高品質石墨烯生長的良好襯底。

而以銅、鋁、銦、錫等金屬材料為代表的導電、導熱材料，被廣泛應用于國民經濟和國防軍工的各個領域，例如輸配電網絡、雷達微波管、電磁屏蔽、電子芯片封裝等。

隨著這些領域的迅速發展，對金屬材料提出了更高的要求，具有輕質、高強、高導電、高導熱、耐腐蝕、抗電磁屏蔽 等特性的金屬基復合材料成為眾多高端裝備的亟需材料。

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、銅粉等不同形態的金屬銅材作為支撐襯底生長石墨烯，再經過熱壓復合等工藝處理，可得到具有高導電、高導熱、高載流量的蒙烯銅材料；利用化學氣相沉積方法在銅、鋁表面生長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，增強抗腐蝕能力。

這種全新的金屬基蒙烯材料有望促進飛行器電纜、電機、電觸頭、隱身涂層基板、雷達微波行波管等結構功能部件的升級換代，在飛行器減重、防雷擊以及電磁對抗、電磁防護領域具有廣闊的應用前景。

在超級蒙烯材料中，作為支撐襯底的體相材料仍發揮著重要作用，石墨烯通過蒙皮或以復合 界面的形式介入其中，帶來新的功能(如導電、導熱增強等)。

由于石墨烯“蒙皮”很薄，從單原子層到亞微米厚度可調，而支撐襯底材料的特征尺寸通常都在微米到毫米量級，因此如何有效提高石墨烯的相對比重、構筑連續的石墨烯網絡、調控石墨烯與襯底材料的耦合強度，以最大化地發揮石墨烯的性能，成為超級蒙烯材料設計與制備的關鍵科學問題。

后加工工藝可為超級蒙烯材料的微觀結構與性能改善提供新的調控空間。各種蒙烯金屬材料基元的進一步復合成型可制造出豐富的界面結構。可以想象，在此類新型復合材料體系中，石墨烯會帶來更多的導電、導熱通道，而金屬為石墨烯提供更多的載流子。需指出的是，高溫生長過程、后加工工藝以及石墨烯與金屬襯底的相互作用可能導致金屬襯底的體相結構重構，進而帶來新的調控空間或需要解決的技術挑戰。

此外，對于超級蒙烯纖維材料來說，不同的編制結構和圖案化設計也會影響其力學、熱學和電磁學性能。近年來，粉末冶金、增材制造、復材加工成型等相關領域的快速技術進步也為超級蒙烯材料的發展提供了良好的技術依托。

應當指出的是，超級蒙烯材料研究尚處于起步階段，在材料設計、高溫生長、物性測量和應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，有利于發揮石墨烯的優異性能，但高溫生長過程面臨著難以分散、易于團聚、不易工程放大等難題。對蒙烯金屬粉體制備來說尤其如此，有效控制高溫生長過程中的金屬粉體團聚和碳源前驅體傳質至關重要。

針對這些問題，人們發展了鼓泡化學氣相沉積生長方法，但生長效率和粉體質量的控制仍有很大的提升空間。對于蒙烯非金屬材料，由于缺乏催化活性，通常石墨烯的質量和生長速率較低。為解決這些問題，人們發展了限域空間法、助催化法、甚高溫法等特殊生長方法，與金屬表面催化生長的石墨烯相比仍有顯著的差距。

此外，目前所報道的蒙烯金屬僅限于銅和鋁，其導電性和導熱性提升的物理機制尚不清晰，石墨烯與金屬界面結構的調控方法 和規模化制備工藝還遠未成熟。

在應用探索方面，石墨烯的導熱性和導電性為人們所青睞，超級蒙烯材料的問世有望促進電力電纜、信號傳輸、導熱散熱等結構功能器件的升級換代。

需要關注的是，具體應用場景下超級蒙烯材料的短板，如高溫生長工藝帶來的載體結構和力學性能變化等。有針對性地發展超級蒙烯材料的生長方法、規模化工藝和裝備是這一新興領域發展的關鍵。

毋庸置疑，這一新概念材料的提出將有力推動石墨烯與傳統材料的融合，為破解連續態石墨烯薄膜材料的實用化開辟新路，為加快石墨烯材料的產業落地提供新的動力。