石墨烯在手表中的應(yīng)用

趙均輝，楊麗，鐘飛，鄔治平

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石墨烯在手表中的應(yīng)用

趙均輝，楊麗，鐘飛，鄔治平

（依波精品（深圳）有限公司，廣東 深圳 518106）

石墨烯以其優(yōu)異的性能和獨特的二維結(jié)構(gòu)成為材料領(lǐng)域研究熱點。簡單介紹了石墨烯手表的由來及其主要性能，介紹了石墨烯在碳纖維復(fù)合材料中的強化機理，石墨烯手表的所具有的主要性能特點（輕盈、高剛度及強度、抗磁性等）以及石墨烯手表的制作工藝。

石墨烯；手表；鋼；納米技術(shù)

2017-01，世界上最輕的機械手表“RM 50-03 McLaren F1 Tourbillon”在瑞士日內(nèi)瓦成功制造。這款獨特的精密機械手表是曼徹斯特大學(xué)、Richard Mille手表和邁凱輪應(yīng)用技術(shù)公司共同合作的成果，這次合作是一次卓越的工程實踐。

這款里程碑式的腕表杰作得以面世，歸功于對最前沿技術(shù)材料的應(yīng)用。其設(shè)計中不僅結(jié)合了鈦合金和TPT?碳纖維，還將另一種全新材料引入鐘表制造中——Graph TPT?，就是人們通常所說的石墨烯。這種新材料比鋼輕6倍，硬度高200倍，這種碳基材料最初在2004年由曼徹斯特大學(xué)納米技術(shù)中心教授 Andre Geim發(fā)現(xiàn)，在只有一個碳原子厚度的平面上二維結(jié)晶排列，幾乎透明但是原子排列極為緊密，可以混入其他材料以大幅提高新合成材料的機械性能。

2015年于曼徹斯特大學(xué)成立的國家石墨烯研究所，經(jīng)過層層研究，最終得到了石墨烯的新應(yīng)用。也正是在曼徹斯特大學(xué)，物理學(xué)和天文學(xué)學(xué)院的Andre Geim教授在2004年首次分離出了石墨烯。6年后，這一發(fā)現(xiàn)為Andre Geim教授和他的同事Konstantin Novoselov教授贏得了最負盛名的2010年諾貝爾物理學(xué)獎。借助與曼徹斯特大學(xué)、McLaren應(yīng)用技術(shù)和North Thin Ply Technology（NTPT? 公司）間的合作成果，RICHARD MILLE成功地生產(chǎn)出使用改良TPT?碳纖維加工制成的表殼。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，被稱為“黑金”，是“新材料之王”。其重量比鋼輕6倍，但強度卻是鋼的200倍，它的引入可以大大增強碳纖維的物理特性。

1 石墨烯的強化機理

研究表明，在單向增強碳纖維的基質(zhì)中加入約2wt%的石墨烯環(huán)氧復(fù)合材料可顯著提高其機械性能。特別是發(fā)現(xiàn)了復(fù)合材料的軸向剛度增加了10 GPa，同時軸向強度增加了200 MPa。Χ射線計算機斷層掃描和偏振拉曼光譜已經(jīng)證明了石墨烯主要與碳纖維軸平行排列。應(yīng)力誘導(dǎo)的拉曼帶移位表明了受限和自對準的石墨烯在復(fù)合材料的軸向變形過程中承受高水平的應(yīng)力，有效楊氏模量為825 GPa，接近理論值1 050 GPa。這個使用混合規(guī)則和剪切滯后分析對行為進行建模，并證明在纖維之間的受限環(huán)境中高度對齊的石墨烯能夠提供比在常規(guī)聚合物基納米復(fù)合材料的石墨烯更好的機械強度。它已被證明增強的3個影響因素為：①石墨烯周圍的排列纖維受“過濾”效應(yīng)。②石墨烯在纖維之間的限制。③基質(zhì)被碳纖維硬化。它表明石墨烯能夠在高剛度纖維方向上增強常規(guī)碳纖維復(fù)合材料的機械性能。

2 石墨烯手表特點

2.1 輕盈

RM 50-03腕表采用獨特的石墨烯復(fù)合材料制成，以容納精致的表殼機制。被稱為Graph TPT的石墨烯復(fù)合材料的重量比之前制造時使用的類似材料的重量要小。石墨烯的非凡特性讓研究人員大受鼓舞，促使他們與表帶供應(yīng)商BIWI S.A.進行進一步的研發(fā)，將這一納米材料融入RM50-03的橡膠表帶中，增強其彈性和抗磨性?？傮w來說，這是全球迄今最輕的一枚雙秒追針陀飛輪腕表，整枚表的重量僅有40 g，而機芯的重量僅有7 g。種種石墨烯的應(yīng)用對于RICHARD MILLE和McLaren-Honda來說，都代表了至關(guān)重要的重大技術(shù)進步。RM 50-03手表如圖1所示。

圖1 RM 50-03手表

2.2 高剛度及強度

將少量石墨烯添加到碳纖維復(fù)合材料中，目的是通過使用較少的材料來提高整體材料的剛度以及減輕重量。由于石墨烯具有高剛度和強度，它在聚合物復(fù)合材料中作為增強體中顯示出了巨大潛力，可以進一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。最終的結(jié)果是添加2%的石墨烯到環(huán)氧樹脂中，并與纖維方向排列一致時可以大大增強其機械性能；通過拉伸試驗分析了所得到的石墨烯和碳纖維復(fù)合材料，并利用拉曼光譜和Χ射線CT掃描初步揭示了其中的機理。

2.3 抗磁性

瑞士鐘表制造商Zenith將推出其老牌旗艦手表El Primero的新版本Defy El Primero 21，該手表基于碳納米管和石墨烯基體的游絲。石墨烯增強復(fù)合材料的游絲對于外界磁場和溫度變化具有很強的抵抗力，可以與目前許多高端手表品牌使用的質(zhì)量最好的硅游絲媲美。

3 石墨烯手表工藝

TPT?碳纖維由平行微絲復(fù)合而成，多達600層，而最大厚度只有30 μm。將它們注入含有石墨烯的機械增壓樹脂，然后使用數(shù)控機床對其纖維層進行45°編制；在120 ℃、6 bar壓力下，加熱凝固形成石墨烯碳纖維復(fù)合材料。McLaren應(yīng)用技術(shù)進行了無數(shù)次控制與驗證測試，開發(fā)出各種解決方案，最終生產(chǎn)出Graph TPT?，這種在制表領(lǐng)域僅為RICHARD MILLE獨家應(yīng)用的材質(zhì)。在RICHARD MILLE的生產(chǎn)基地，我們致力于機芯部件和表殼的研發(fā)團隊，將他們的精力投入到如何巧妙使用Graph TPT?創(chuàng)造和編程微米級精度的切割工具。通過以上設(shè)計和制造工藝得到的三部分式表殼，在各方面都無可匹敵，它不僅保留了人體工程學(xué)以及獨特、驚艷的外觀，還擁有超高的抗震及超輕的特性。

4 結(jié)束語

由于石墨烯具有優(yōu)異的機械、光電等性能，使得石墨烯材料被用于很多領(lǐng)域。特別是用于復(fù)合材料方面，由于石墨烯的加入進一步提升復(fù)合材料的性能。不僅減輕了復(fù)合材料的重量，還提升了復(fù)合材料的機械性能，還具有很好的抗磁性，再加上工藝難度較小，使得石墨烯在提升新材料性能方面還有很多提升空間。

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2095－6835（2019）01－0033－02

TQ127.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.033

趙均輝（1989—），男，陜西蒲城人，碩士，主要從事金屬材料方向的研究。

〔編輯：張思楠〕