石墨烯在手表中的應用

趙均輝，楊麗，鐘飛，鄔治平

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石墨烯在手表中的應用

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）

石墨烯以其優異的性能和獨特的二維結構成為材料領域研究熱點。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

2017-01，世界上最輕的機械手表“RM 50-03 McLaren F1 Tourbillon”在瑞士日內瓦成功制造。這款獨特的精密機械手表是曼徹斯特大學、Richard Mille手表和邁凱輪應用技術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材料的應用。其設計中不僅結合了鈦合金和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年由曼徹斯特大學納米技術中心教授 Andre Geim發現，在只有一個碳原子厚度的平面上二維結晶排列，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年于曼徹斯特大學成立的國家石墨烯研究所，經過層層研究，最終得到了石墨烯的新應用。也正是在曼徹斯特大學，物理學和天文學學院的Andre Geim教授在2004年首次分離出了石墨烯。6年后，這一發現為Andre Geim教授和他的同事Konstantin Novoselov教授贏得了最負盛名的2010年諾貝爾物理學獎。借助與曼徹斯特大學、McLaren應用技術和North Thin Ply Technology（NTPT? 公司）間的合作成果，RICHARD MILLE成功地生產出使用改良TPT?碳纖維加工制成的表殼。石墨烯是目前發現的最薄、強度最大、導電導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中加入約2wt%的石墨烯環氧復合材料可顯著提高其機械性能。特別是發現了復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證明了石墨烯主要與碳纖維軸平行排列。應力誘導的拉曼帶移位表明了受限和自對準的石墨烯在復合材料的軸向變形過程中承受高水平的應力，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境中高度對齊的石墨烯能夠提供比在常規聚合物基納米復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。②石墨烯在纖維之間的限制。③基質被碳纖維硬化。它表明石墨烯能夠在高剛度纖維方向上增強常規碳纖維復合材料的機械性能。

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商BIWI S.A.進行進一步的研發，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。總體來說，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。種種石墨烯的應用對于RICHARD MILLE和McLaren-Honda來說，都代表了至關重要的重大技術進步。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，可以進一步提高復合材料的力學性能。最終的結果是添加2%的石墨烯到環氧樹脂中，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合材料。McLaren應用技術進行了無數次控制與驗證測試，開發出各種解決方案，最終生產出Graph TPT?，這種在制表領域僅為RICHARD MILLE獨家應用的材質。在RICHARD MILLE的生產基地，我們致力于機芯部件和表殼的研發團隊，將他們的精力投入到如何巧妙使用Graph TPT?創造和編程微米級精度的切割工具。通過以上設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 結束語

由于石墨烯具有優異的機械、光電等性能，使得石墨烯材料被用于很多領域。特別是用于復合材料方面，由于石墨烯的加入進一步提升復合材料的性能。不僅減輕了復合材料的重量，還提升了復合材料的機械性能，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。

［1］鄭詩穎.由石墨烯打造的世界最輕手表［J］.現代材料動態，2017（10）：12.

［2］李豐愷.石墨烯研究進展［J］.化學進展，2009，21（12）：2559-2567.

［3］匡達，胡文彬.石墨烯復合材料的研究進展［J］.無機材料學報，2013，28（03）：235-246.

［4］Jingwen Chu，Robert J.Young，Thomas J.A.Slater，et al. Realising the Theoretical Stiffness of Graphene in Composites through confinement between Carbon Fibres［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2018（113）： 311-317.

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〕