中國科學家創造出 理論上不存在材料 新石墨烯膜應用航天科技

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• 發佈日期

  2026-10-16

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中國浙江大學與清華大學等研究團隊研發出新型石墨烯薄膜，利用互相扣合的摺疊結構，解決傳統石墨烯片層容易滑動、強度與韌性難以兼顧的問題。新材料拉伸強度達 2.9 GPa，韌性達 84.5 MJ/m³，彈性應變達 5%，同時具備高強度、高韌性及高彈性。研究成果已於 10 月 14 日刊登在國際科學期刊《Nature》。

研究成果的未來用途

航空航天材料的核心需求是「極致的輕量化」與「極端的耐受性」（包含抗高溫、高壓與抗金屬疲勞）。為了讓飛行器飛得更高、更快且更省燃料，科學家必須在強度與重量之間找到最佳平衡。

這項新型石墨烯薄膜研究的成果主要有望應用於開發輕量化結構、高性能複合材料以及抗衝擊防護裝備。憑藉其打破常規、同時具備高強度、高韌性與高彈性的物理特性，該材料未來特別適合投入對減重與極端防護要求極高的航空航天領域。

改變石墨烯堆疊方式　利用摺疊結構互相鎖緊

石墨烯是由碳原子組成的二維材料，單層石墨烯本身具有極高強度，但要將大量石墨烯片層組合成可以實際使用的大型薄膜，卻一直存在技術困難。

傳統製作方法主要將石墨烯薄片平整堆疊，並改善片層排列及黏合程度。然而片層之間容易互相滑動，外力未必能平均分散到整張薄膜，導致材料可能在層間剝離及斷裂。提高強度的同時，往往亦難以維持韌性。由浙江大學高超、許震及清華大學徐志平等人組成的研究團隊，改用類似積木互相扣合的設計。

研究人員透過低溫氧化技術，製備出表面帶有大量摺疊結構的多層氧化石墨烯片。這些納米片平均厚度約 9.1 nm，表面摺疊部分厚度約 2 nm，內部則保留有序堆疊結構。團隊將這些納米片作為基本單元，再透過刮塗方式組裝成石墨烯薄膜。不同片層的摺疊部分互相咬合，形成類似機械卡扣的結構，減少受力時片層之間的滑動。

拉力轉化為層間壓力　應力傳遞效率可達 96%

研究團隊與清華大學合作進行力學計算及分子模擬，發現新型薄膜受拉扯時，相鄰摺疊結構會逐漸接觸並互相擠壓，將部分拉力轉化為片層之間的壓力。

研究人員將這種現象稱為「Pull-to-Push」，即由拉轉推的力鏈轉換，並提出「Shear-Lock」（剪切互鎖）力學模型。相比傳統依賴片層間剪切作用傳遞力量的方式，新結構能改善受力分布。根據理論模型分析，應力傳遞效率可達 96%。

實驗所得石墨烯膜拉伸強度達 2.9 GPa，韌性為 84.5 MJ/m³，並可達到 5% 的彈性應變。當中彈性應變反映材料在特定拉伸測試條件下的可恢復變形能力，並不代表薄膜可以像普通橡筋般任意拉長。

有望應用於航空航天　目前仍屬材料研究

研究團隊認為，這種從石墨烯片層空間結構入手的設計方法，可為輕量化結構、高性能複合材料及抗衝擊防護裝備提供新方向，包括未來航空航天相關材料。

不過目前論文主要展示材料製備、力學測試及受力機制，並未證實相關薄膜已用於商業產品或完成實際航空航天環境驗證。

外界形容這項研究打破材料科學的「不可能三角」，主要是指高強度、高韌性與高彈性以往難以在傳統石墨烯薄膜中同時實現，而非科學家製造出違反物理理論的材料。

資料來源：快科技、Nature、長沙理工大學、中國科學報