石墨烯因其独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能和高比表面积，近年来受到化学、物理、材料、能源、环境等领域的极大重视，应用前景广阔，被公认为21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。具体在五个应用领域：一是储能领域。石墨烯可用于制造超级电容器、超级锂电池等。二是光电器件领域。石墨烯可用于制造太阳能电池、晶体管、电脑芯片、触摸屏、电子纸等。三是材料领域。石墨烯可作为新的添加剂，用于制造新型涂料以及制作防静电材料。四是生物医药领域。石墨烯良好的阻隔性能和生物相容性，可用于药物载体、生物诊断、荧光成像、生物监测等。五是散热领域。石墨烯散热薄膜可广泛应用于超薄大功耗电子产品，比如当前全球热销的智能手机、IPAD 电脑、半导体照明和液晶电视等。 

中国科学院预计，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，在纳米电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。全球范围内仅电子行业每年需消耗大约2500吨半导体晶硅，纯石墨烯的市场价格约为人民币1000元/g ，其若能替代晶硅市场份额的10%，就可以获得5000亿元以上的经济利益；全球每年对负极材料的需求量在2.5万吨以上，并保持了20%以上的增长，石墨烯若能作为负极材料获得锂离子电池市场份额的10%，就可以获得2500吨的市场规模。可见，石墨烯具有广阔的应用空间和巨大的经济效益 。2100433B

科研人员们确信这种材料的诞生将造成商业和工业界的一场革命，尤其是汽车制造业和航空制造业。

科学家们首先将石墨原材料进行精细研磨，随后采用化学方法对其净化。然后在纳米尺度上对其进行重塑，得到薄如纸张的石墨烯合成材料。

最终的产品比钢材料轻6倍，密度比钢低5~6倍，但硬度要高出2倍，抗弯刚度则是钢材的13倍 。

这种新型材料名为“石墨烯纸”，这是一种基于石墨原料的合成材料。事实证明它不仅重量轻，强度好，硬度高，具有比钢更好的柔韧性，并且还是一种环保材料。

石墨烯复合材料根据石墨烯组成单元的微观结构可以分为石墨烯增强复合材料和石墨烯层状材料。由于受到石墨烯分散性较差的限制，很难获得高体积分数的石墨烯增强复合材料，因此对力学性质的增强效果有限。石墨烯层状材料由石墨烯叠层自组装而成，可以形成不同微观结构的石墨烯层状材料，如石墨烯纤维、石墨烯膜、石墨烯纸、石墨烯多孔材料等，其相同的结构单元都是由多层石墨烯平行堆叠而成的层状结构。本项目中，我们主要研究了石墨烯层状结构的力学行为，从而为石墨烯层状材料的优化设计提供指导。石墨烯层间剪切模量和强度比面内拉伸模量和强度低两个量级以上，这导致了石墨烯层状结构具有非常独特的力学行为。 由于石墨烯片层尺寸有限，石墨烯层状材料中典型的载荷传递方式是拉伸-剪切模式。石墨烯层间剪切载荷传递能力是制约石墨烯层状材料力学性质的关键因素。我们分别研究了石墨烯层间氢键网络交链、戊二醛共价交链以及褶皱石墨烯的几何自锁效应对层间载荷传递能力的影响，建立了不同类型交链的力学模型。发现戊二醛共价键交链和氢键网络的协同作用可以极大的提高石墨烯层间剪切模量和强度。氢键网络具有自修复特性，当共价键交链失效之后，还能提供一定的承载能力。我们在石墨烯中引入不同密度和分布的拓扑缺陷，可以调控石墨烯的褶皱形态。由于石墨烯褶皱的几何自锁效应，层间剪切模量和强度提高一个量级以上。考虑石墨烯层间不同交链形式、石墨烯尺寸以及石墨烯面内变形，建立了石墨烯层状材料双网络可变形拉-剪链模型，可以预测石墨烯层状材料的力学行为和破坏模型，为石墨烯层状材料的优化设计提供指导。 考虑单层石墨烯的弯曲变形能、石墨烯面内变形以及层间剪切，建立了多层石墨烯弯-剪耦合模型，可以描述多层石墨烯的压缩失稳临界应变。发现存在一个特征长度，由单层石墨烯刚度、层间剪切模量以及层间距决定。当石墨烯的尺度远大于特征长度时，多层石墨烯的临界失稳应变和几何尺寸无关，由几个材料常数决定。