赵均辉，杨丽，钟飞，邬治平



石墨烯在手表中的应用

赵均辉，杨丽，钟飞，邬治平

（依波精品（深圳）有限公司，广东 深圳 518106）

石墨烯以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。简单介绍了石墨烯手表的由来及其主要性能，介绍了石墨烯在碳纤维复合材料中的强化机理，石墨烯手表的所具有的主要性能特点（轻盈、高刚度及强度、抗磁性等）以及石墨烯手表的制作工艺。

石墨烯；手表；钢；纳米技术

2017-01，世界上最轻的机械手表“RM 50-03 McLaren F1 Tourbillon”在瑞士日内瓦成功制造。这款独特的精密机械手表是曼彻斯特大学、Richard Mille手表和迈凯轮应用技术公司共同合作的成果，这次合作是一次卓越的工程实践。

这款里程碑式的腕表杰作得以面世，归功于对最前沿技术材料的应用。其设计中不仅结合了钛合金和TPT™碳纤维，还将另一种全新材料引入钟表制造中——Graph TPT™，就是人们通常所说的石墨烯。这种新材料比钢轻6倍，硬度高200倍，这种碳基材料最初在2004年由曼彻斯特大学纳米技术中心教授 Andre Geim发现，在只有一个碳原子厚度的平面上二维结晶排列，几乎透明但是原子排列极为紧密，可以混入其他材料以大幅提高新合成材料的机械性能。

2015年于曼彻斯特大学成立的国家石墨烯研究所，经过层层研究，最终得到了石墨烯的新应用。也正是在曼彻斯特大学，物理学和天文学学院的Andre Geim教授在2004年首次分离出了石墨烯。6年后，这一发现为Andre Geim教授和他的同事Konstantin Novoselov教授赢得了最负盛名的2010年诺贝尔物理学奖。借助与曼彻斯特大学、McLaren应用技术和North Thin Ply Technology（NTPT® 公司）间的合作成果，RICHARD MILLE成功地生产出使用改良TPT™碳纤维加工制成的表壳。石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，被称为“黑金”，是“新材料之王”。其重量比钢轻6倍，但强度却是钢的200倍，它的引入可以大大增强碳纤维的物理特性。

1 石墨烯的强化机理

研究表明，在单向增强碳纤维的基质中加入约2wt%的石墨烯环氧复合材料可显著提高其机械性能。特别是发现了复合材料的轴向刚度增加了10 GPa，同时轴向强度增加了200 MPa。Χ射线计算机断层扫描和偏振拉曼光谱已经证明了石墨烯主要与碳纤维轴平行排列。应力诱导的拉曼带移位表明了受限和自对准的石墨烯在复合材料的轴向变形过程中承受高水平的应力，有效杨氏模量为825 GPa，接近理论值1 050 GPa。这个使用混合规则和剪切滞后分析对行为进行建模，并证明在纤维之间的受限环境中高度对齐的石墨烯能够提供比在常规聚合物基纳米复合材料的石墨烯更好的机械强度。它已被证明增强的3个影响因素为：①石墨烯周围的排列纤维受“过滤”效应。②石墨烯在纤维之间的限制。③基质被碳纤维硬化。它表明石墨烯能够在高刚度纤维方向上增强常规碳纤维复合材料的机械性能。

2 石墨烯手表特点

2.1 轻盈

RM 50-03腕表采用独特的石墨烯复合材料制成，以容纳精致的表壳机制。被称为Graph TPT的石墨烯复合材料的重量比之前制造时使用的类似材料的重量要小。石墨烯的非凡特性让研究人员大受鼓舞，促使他们与表带供应商BIWI S.A.进行进一步的研发，将这一纳米材料融入RM50-03的橡胶表带中，增强其弹性和抗磨性。总体来说，这是全球迄今最轻的一枚双秒追针陀飞轮腕表，整枚表的重量仅有40 g，而机芯的重量仅有7 g。种种石墨烯的应用对于RICHARD MILLE和McLaren-Honda来说，都代表了至关重要的重大技术进步。RM 50-03手表如图1所示。

图1 RM 50-03手表

2.2 高刚度及强度

将少量石墨烯添加到碳纤维复合材料中，目的是通过使用较少的材料来提高整体材料的刚度以及减轻重量。由于石墨烯具有高刚度和强度，它在聚合物复合材料中作为增强体中显示出了巨大潜力，可以进一步提高复合材料的力学性能。最终的结果是添加2%的石墨烯到环氧树脂中，并与纤维方向排列一致时可以大大增强其机械性能；通过拉伸试验分析了所得到的石墨烯和碳纤维复合材料，并利用拉曼光谱和Χ射线CT扫描初步揭示了其中的机理。

2.3 抗磁性

瑞士钟表制造商Zenith将推出其老牌旗舰手表El Primero的新版本Defy El Primero 21，该手表基于碳纳米管和石墨烯基体的游丝。石墨烯增强复合材料的游丝对于外界磁场和温度变化具有很强的抵抗力，可以与目前许多高端手表品牌使用的质量最好的硅游丝媲美。

3 石墨烯手表工艺

TPT™碳纤维由平行微丝复合而成，多达600层，而最大厚度只有30 μm。将它们注入含有石墨烯的机械增压树脂，然后使用数控机床对其纤维层进行45°编制；在120 ℃、6 bar压力下，加热凝固形成石墨烯碳纤维复合材料。McLaren应用技术进行了无数次控制与验证测试，开发出各种解决方案，最终生产出Graph TPT™，这种在制表领域仅为RICHARD MILLE独家应用的材质。在RICHARD MILLE的生产基地，我们致力于机芯部件和表壳的研发团队，将他们的精力投入到如何巧妙使用Graph TPT™创造和编程微米级精度的切割工具。通过以上设计和制造工艺得到的三部分式表壳，在各方面都无可匹敌，它不仅保留了人体工程学以及独特、惊艳的外观，还拥有超高的抗震及超轻的特性。

4 结束语

由于石墨烯具有优异的机械、光电等性能，使得石墨烯材料被用于很多领域。特别是用于复合材料方面，由于石墨烯的加入进一步提升复合材料的性能。不仅减轻了复合材料的重量，还提升了复合材料的机械性能，还具有很好的抗磁性，再加上工艺难度较小，使得石墨烯在提升新材料性能方面还有很多提升空间。

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［3］匡达，胡文彬.石墨烯复合材料的研究进展［J］.无机材料学报，2013，28（03）：235-246.

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2095－6835（2019）01－0033－02

TQ127.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.033

赵均辉（1989—），男，陕西蒲城人，硕士，主要从事金属材料方向的研究。

〔编辑：张思楠〕