赫晓东教授是特种环境复合材料结构和工程力学专家，从事复合材料力学、轻量化结构设计、制造与评价方面的研究。长江学者特聘教授，国防973技术首席，中央军委科技委先进能源、新材料和制造技术专家组领域专家，国务院学位委员会第八届力学学科评议组成员，黑龙江省人大代表。获国家技术发明二等奖2项、国家科技进步三等奖1项。出版专著5部，发表SCI论文290余篇，SCI他引8000余次，授权发明专利93项，制定国军标2项，获软件著作权1，与东京大学创建联合实验室，任中日双边会议主席7次、COMPO系列国际大会主席3次、THINFILMS国际大会主席1次，国际大会特邀报告8次。
【报告题目】纳米碳(碳纳米管、石墨烯)增强复合材料制造中的基础问题与挑战
各位代表，抱歉，因为我们疫情的原因，不能到现场，和各位专家、各位同行交流，我在线上来汇报纳米碳增强复合材料制造中的基础问题与挑战，这里纳米碳主要是指碳纳米管和石墨烯。
我是赫晓东，我分四个方面向各位汇报，首先是机遇与挑战。
大家知道，碳纳米管、石墨烯具有优异的力学性能、物理性能，已经被广泛的被人们所认知，而且他们的应用领域非常广，这里我就不详细说了。但是碳纳米的优异性能，要想把他反应出来，在我们日常生活中、在部件、构件中反应出来，一个很大的问题是他的尺度是纳米的，在这个尺度上反应出来的优异的力学、物理性能，如何通过通过制造宏观把他的性能展示出来。那么宏观的尺寸，比如大到飞机这样的尺寸、上百米的风电叶片。所以说就把这种微纳米的性能，如何通过微米、介观尺度一直到宏观尺度，把他的性能宏观化，高性能、多功能把他展示出来，这是一个非常严峻的挑战，也是一个制约碳纳米材料应用的瓶颈。
那么从微观来说，我们看，像碳纳米他的拉伸强度达到100GPa、杨氏模量达到1GPa、热导率到5000多W/m·K、电导率10^6 S/m等等，像石墨烯。但是当把他到微观的时候，现在很多文章、文献，实际上做出了很多优异的性能，他只是从纳米观到微观。但真正到宏观应用，他的性能就大幅降低，量级非常非常大，非常非常的惊人。所以说他现在存在的问题与挑战，总结起来分三个：1）纳米碳在复合材料中的取向控制，2）纳米碳在复合材料的界面优化与调控方法，3）新型纳米碳增强体的设计与制造。
那么纳米碳在复合材料中的取向与控制是非常重要的，我们知道，碳纳米管、石墨烯他并不是各向同性的，那么他的取向控制是他能够在复合材料中发挥高效的一个关键因素。
第二个就是纳米碳在复合材料中的界面优化与调控方法，因为他的尺寸是如此的小，把他做成宏观的材料，这种如此小的构筑成宏观体，他会形成无穷多的界面，而这种界面如何把他性能向宏观传递，这是决定宏观复合材料性能的一个非常关键的因素。这个问题处理不好，根本就无法往下走。
第三个挑战，就是新型纳米碳增强体的设计与制造。我左边这个动画，他展示的是，比如我做一个防热结构，航天上用的防热网，他是用这种纳米的纤维做成的，但是这种纳米纤维的取向、尺寸、分布都会影响到复合材料宏观的性能。这种宏观体的微结构和设计以及做这种宏观体的制造工艺更是非常严峻的问题。
所以说，根据这种挑战，他从取向、界面、增强体，我们宁愿取一些基础科学问题：1）纳米碳在复合材料中的聚集态调控机理，2）纳米碳复合材料界面传递理论与调控原理，3）面向跨尺度的多级结构与精准制造。
首先，这种调控机理，纳米碳材料在多场响应与结构排序，他的原理是什么样？纳米碳与基体的协同有序化控制与跨尺度组装机理是怎么样的？比如现在我们常做的，一个是用碳纳米管纺纤维，如何把碳纳米管纺成这样的一个，相对宏观一些的，微米级的纤维，他在理论上的性能应该是远高于现在已有的最先进的碳纤维。从石墨烯来讲，石墨烯是0.3几纳米这样的一个薄片，如何让他在性能上、取向让他统一，让他定向的排布，而且做成这样的宏观的材料，从理论上和工艺上都是一个非常难的问题。
第二个问题，就是这种纳米碳复合材料界面之间，性能的传递和调控的方法，如何构筑这种界面，构筑的原理是什么？复合材料性能传递和聚集的原理是什么？
第三个科学问题就是，就是这种面向跨尺度的多级结构调控与精准制造。那么这种纳米材料高性能如何传递，转换到宏观产品中，这种多级机构微米尺度结构、到介观尺度、宏观尺度，他这种传递，这种精准制造是实现这种性能转化的首要的关键。
我现在讲一讲我们所做过的一些研究，研究的基础和一些优势，主要分下面四个方向：1）纳米碳增强体的跨尺度设计及精准制造，2）微纳尺度到宏观尺度多级结构调控与制造，3）纳米碳复合材料界面设计与界面原理，4）结构/功能一体化复合材料构件制造。
第一个是纳米碳增强体的跨尺度设计及精准制造，基于这种纺丝编织工艺的多重螺旋碳纳米管纤维，这种碳纳米管纤维是通过一边生成碳纳米管，另一边在逐渐的拉伸、挤压，最后通过一些纺织做成碳纳米管纤维。目前拉伸强度能做到8GPa，但是国内像苏州纳米所做的可能更好，有些甚至已经接近工业化了。
另外，像石墨烯这种，微观结构，如何把他定向排列，做成像这样的工艺，最后目前能做到的，宏观的尺寸。你看从左边的微观结构一直到中间做成这种海绵体，然后把他灌注基体做成宏观的复合材料，这个工作目前复合材料的剪切性能能够提升30%。
为什么会提升复合材料的剪切性能？
我们现在的树脂基复合材料，实际他的拉伸性能在某种意义上是过剩的，因为我们的碳纤维，从T300、T700、T800、T1000，性能在不断的增长，但是他做成复合材料的界面性依然没有多大的提高，尤其压缩性能，相对提高的也不多。但是在一个结构件受力的时候，他是一个复杂的应力状态，不仅仅有拉伸，还有压缩。在这种情况下，由于压缩强度的不足，不得不在碳纤维取材上用更先进的来弥补，所以说如果我们能直接提升他的剪切性能，直接提升他的压缩性能，那么我们就可以在成本上大幅降低。目前在航天上这样的一个小的应用应该说起到了很好的效果。
第二就是纳米宏观尺度多级调控。右上角这个图实际上是金属的表面，上面的是树脂基的复合材料，他们俩结合在一起的时候，界面由于强度不够，复合材料和合金不管是模量还是性能都差很多，如何让他俩之间的界面能够变形协调，不出现裂纹。
下面这个图有一个壁虎，壁虎能够在玻璃上行走，是因为爪上有纳米级的刚毛，这个刚毛非常非常细小，和固体接触的时候，强大的界面力。仿照这种结构，右上角这个图，我们在金属表面构筑这种大分子，然后把碳纳米管接枝到上面，这种树状大分子和金属粘结力非常非常强，另一边的官能团可以和碳纳米管有效的结合起来，相当于在金属表面长成了一个类似于壁虎爪的状态，这样碳纳米管和复合材料相结合，使得产生高强的结合力。
用到哪里呢，我们现在用在比较热的氢气瓶，氢气瓶里面一般有比较薄的金属内衬，这种金属内衬，当他重复使用的时候，如果是为了，航天上往往为了减重会把他做的很轻很轻，相对来说，尽量让他跟金属这边，让他没有剩余的部分。这样就会出现，当加压的时候，复合材料在弹性阶段，超薄的这种金属内衬就有了塑性；泄压的时候，容易产生金属不能完全恢复，产生皱褶。但是如果有这种超强的界面，和复合材料之间有超强的界面，产生皱褶的时候，复合材料把他拉进去，让他出不了。这种情况，这种界面起作用了，这个工作已经得到了应用。
另外，像石墨烯这个材料，导热性是极佳的，后面还会讲，我们这个论坛里也讲石墨烯导热性能的应用。实际上石墨烯通过某种工艺，比如说冷冻、铸造工艺，可以把石墨烯做成这种层状结构，右上角右边这种层状结构，他竟然可以变成定向的导热，但是在另一个方向上是高度绝热的。这种方法我们成功做出了高度各向异性的石墨烯聚酰亚胺复合海绵，这种材料的弹性非常好，右下角的这个图，可以弯折。这是我们把他做成另一种复合材料，定向排列，你看右下角这个图，石墨烯在里面的排列方向，相对来说是非常整齐的，这是用把他排列整齐以后再定向做成石墨烯的高导热材料。
实际上我们过去也走过了一些弯路，以前大家在实验室里，有过一段时间，你追我赶的，说热导率做到1000、1500，甚至更高，但现在看来，并不是那么乐观。当材料变厚的时候，过去做到1500的、2000的，都经不起推敲，现在来看，这种工艺稳定在热导率1000左右还是可以实现的。但是1000的热导率已经有很广泛的应用市场。
这是一个演示，一边是石墨烯的，同时在同一个热源加热，看看这个高导热的明显颜色变得快，我们是作了一种涂料（一种热敏材料），当他温度高的时候变色快，明显的这种导热好的材料他的颜色变得快。
另外这种复合材料界面设计，纳米碳多尺度增强。我们从左边看一个例子，他像一个树，在土壤里，由于他有根须，你要想把这棵树连根拔起，相对来说就比较难。那么我们现在树脂基的复合材料，碳纤维在树脂集体里的时候，很多做复合材料的人都在研究他的界面，如何提高界面性能，以便提高复合材料的整体性能，这是我们面临的一个挑战。后来这种树根结构的启发，用化学的方法把碳纳米管接到碳纤维上，右边的图是粗的碳纤维，上面这些小的毛刺是碳纳米管，下面是，石墨烯长在上面，就像很多木耳长在木头上一样，可想让他的表面积增大，碳纤维在树脂基体中性能得到大幅提升。目前他的界面强度最多能够提升到110%甚至更高。
像这种他的增强机理，过去大家都是模糊的，现在我们把他像一根，单根的碳纳米管接枝到碳纤维上，把他的接枝力测下来；单个的石墨烯片，接到他上面，化学方法接枝，他的力测出来，在全世界我们是第一个做到的。正因为有了这样定量的接枝力的测量，才填补了这种增强机制的空白，进而建立了增强的理论模型。
另外这种结构/功能一体化复合材料构件制造，我们通过一个特殊的工艺，把碳纳米管和石墨烯做成海绵体状，然后和复合材料结合起来，后来发现，在相应的频段里具有隐身的功能。这个给我们更多的想象空间，隐身无非就是改变他的介电常数，有目的的改变介电常数，对石墨烯、碳纳米管来说，可以通过一系列化学手段，在他上面接上不同的官能团，从而调整他的介电常数，根据我们的需要进行设计，作为所谓的结构承载隐身一体化的材料。右边是我们制造的大型的结构部件。
还有一种功能，就是我们，正好北方这个冻雨，通过石墨烯和碳纳米材料制成这种涂层，具有防除冰的效果，他所谓的防除冰并不能做到一定不结冰，他会延缓结冰的时间。在民用、民机、无人机、军机上面的应用具有广阔的前景，这个目前也取得了很好的成果。而且这种碳纳米涂层本身导电，可以把他和，防除冰和超疏水、超亲水性能和导电性能结合在一起，把电除冰和物理除冰结合在一起，形成这种高效的一体化防除冰薄膜。
另外还有，我们还可以把这种复合材料，像我刚才讲到的，碳纳米纤维，把他做成螺旋状的纤维。这个工作，可以把他，未来人的机械臂，可以做成人造的肌肉，在电致动的作用下可以自动的伸缩，这个工作曾经获得中国军民两用技术大赛的铜奖，也是当时唯一一个靠理论模型获奖的，其他都是人家有实物。这个工作后来被美国化学学会发现以后，配了一个视频，在他的网站播放了一个月，就是未来机器人，人造肌肉手臂可以不是金属的，邦邦硬的这种。
再一个就是散热，刚我我已经说了，目前这种大功率散热片，这是我说的将来用在空间机械臂，现在机械臂都是刚性的，将来有可能通过这种柔性的人造纤维，仿人肌肉的这种结构，变化一种我们看着像蛇一样，可以任意方向，通过控制，目前这个材料不需要机械，通过一些电力、光、磁场都可以控制他的变形，由于这种柔性驱动的感知，将来未来的机械手臂。
另外就是这种刚才说的隐身，现在隐身、反隐身整个频段都是宽频的，从低频到0.几个GHz到几十个GHz。现在想提升这种大宽频的、轻量的应该说越来越有挑战，我们这种将来都是有应用前景的。防除冰现在也正在跟作战部门联系，即将取得应用。
谢谢各位老师！
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