有序交聯(lián)的超強(qiáng)韌高導(dǎo)電石墨烯薄膜

有序交聯(lián)的超強(qiáng)韌高導(dǎo)電石墨烯薄膜

5月7日，《美國(guó)科學(xué)院院刊》在線刊登了北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院程群峰教授、江雷院士團(tuán)隊(duì)及其合作者的最新研究成果“有序交聯(lián)的超強(qiáng)韌高導(dǎo)電石墨烯薄膜”（英譯：Sequentially bridged graphene sheets with high strength,toughness,and electrical conductivity），程群峰教授和生物醫(yī)學(xué)工程高精尖中心首席科學(xué)家美國(guó)工程院院士Ray H.Baughman教授為共同通訊作者，2014級(jí)直博生萬(wàn)思杰為第一作者，北航為第一通訊單位。


輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料在日常生活中有廣泛的應(yīng)用，尤其是在航空、航天、汽車(chē)以及運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。然而，碳纖維復(fù)合材料在制備和使用時(shí)存在一些缺點(diǎn)，如合成碳纖維需要高溫（>2500°C）石墨化，成本較高；碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能具有各向異性；由于較弱的界面作用，碳纖維與聚合物基體之間容易發(fā)生分層；碳纖維復(fù)合材料的電學(xué)性能較低，不能滿足特殊應(yīng)用需求。石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)性能，是制備新型高性能納米復(fù)合材料的理想材料之一。然而，采用氣相沉積方法制備的高品質(zhì)單層石墨烯，很難組裝成高性能的宏觀納米復(fù)合材料，且成本很高。采用化學(xué)方法處理天然礦物石墨粉，即可獲得氧化石墨烯，其成本低廉，且易規(guī)模化制備。不過(guò)，將這種氧化石墨烯納米片組裝成高性能多功能的石墨烯納米復(fù)合材料，仍然是一個(gè)重大的技術(shù)難題。


程群峰教授課題組長(zhǎng)期致力于仿生多功能石墨烯納米復(fù)合材料的研究，取得了一系列研究成果。例如，基于各種界面作用（氫鍵，離子鍵，π鍵，共價(jià)鍵等），仿生構(gòu)筑了強(qiáng)韌一體化高導(dǎo)電的石墨烯納米復(fù)合材料（Adv.Mater.2016,28,7862;Adv.Mater.2016,28,2834;Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,3750;ACS Nano 2015,9,9830;ACS Nano2014,8,9511.）；基于一維納米纖維和二維納米片的協(xié)同增韌效應(yīng)，仿生構(gòu)筑了多功能石墨烯納米復(fù)合材料，包括防火性能（J.Mater.Chem.A2015,3,21194.），抗疲勞性能（ACS Nano2015,9,708;ACS Nano 2017,11,7074;ACS Nano 2015,9,11568;Adv.Funct.Mater.2017,27,1605636;Adv.Funct.Mater.2017,27,1703459.）等。


在前期仿生界面組裝的研究基礎(chǔ)上，程群峰教授課題組進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了低溫π-π共軛鍵和共價(jià)鍵有序交聯(lián)策略，如圖1所示，仿生構(gòu)筑了超強(qiáng)超韌高導(dǎo)電的多功能石墨烯復(fù)合薄膜；該有序交聯(lián)石墨烯薄膜的拉伸強(qiáng)度和韌性分別達(dá)到945MPa（部分薄膜可超過(guò)1GPa）和20.6MJ/m3，為無(wú)交聯(lián)石墨烯薄膜的4.5和7.9倍；更重要的是，該石墨烯復(fù)合薄膜不僅拉伸強(qiáng)度可以與成本較高的準(zhǔn)各項(xiàng)同性的商用碳纖維復(fù)合材料相媲美，而且韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于后者，如圖2所示。此外，該研究通過(guò)原位拉曼表征，從分子尺度揭示了π-π共軛鍵和共價(jià)鍵有序界面交聯(lián)作用的強(qiáng)韌機(jī)制，為制備高性能石墨烯納米復(fù)合材料提供了重要理論指導(dǎo)。同時(shí)，這種小分子有序交聯(lián)的石墨烯復(fù)合薄膜（厚度為3~4μm）還具有高導(dǎo)電性能（512S/cm），高電磁屏蔽性能（在0.3~12GHz范圍內(nèi)，電磁波段的屏蔽效能約為27dB）以及優(yōu)異的抗腐蝕性能和疲勞性能。這種廉價(jià)低溫有序交聯(lián)的高性能多功能石墨烯納米復(fù)合材料在航空、航天、汽車(chē)、柔性電子器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

有序交聯(lián)的超強(qiáng)韌高導(dǎo)電石墨烯薄膜

圖1.有序交聯(lián)石墨烯薄膜的制備過(guò)程(A-B)及照片(C)和橫截?cái)嗝嫖⒂^形貌(D-E)

有序交聯(lián)的超強(qiáng)韌高導(dǎo)電石墨烯薄膜

圖2.有序交聯(lián)石墨烯薄膜的力學(xué)(A)和電磁屏蔽效能(B)，以及原位拉曼光譜表征(C-F)


該研究得到了國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃、霍英東教育基金、111引智計(jì)劃、中國(guó)航空科學(xué)基金、北京化工大學(xué)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、985高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、北京航空航天大學(xué)博士研究生卓越學(xué)術(shù)基金、美國(guó)空軍辦公室科學(xué)研究項(xiàng)目以及美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

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