有序交聯的超強韌高導電石墨烯薄膜
有序交聯的超強韌高導電石墨烯薄膜
5月7日，《美國科學院院刊》在線刊登了北京航空航天大學化學學院程群峰教授、江雷院士團隊及其合作者的最新研究成果“有序交聯的超強韌高導電石墨烯薄膜”（英譯：Sequentially bridged graphene sheets with high strength,toughness,and electrical conductivity），程群峰教授和生物醫學工程高精尖中心首席科學家美國工程院院士Ray H.Baughman教授為共同通訊作者，2014級直博生萬思杰為第一作者，北航為第一通訊單位。
輕質高強的碳纖維復合材料在日常生活中有廣泛的應用，尤其是在航空、航天、汽車以及運動器材等領域。然而，碳纖維復合材料在制備和使用時存在一些缺點，如合成碳纖維需要高溫（>2500°C）石墨化，成本較高；碳纖維復合材料力學性能具有各向異性；由于較弱的界面作用，碳纖維與聚合物基體之間容易發生分層；碳纖維復合材料的電學性能較低，不能滿足特殊應用需求。石墨烯具有優異的力學、電學性能，是制備新型高性能納米復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單層石墨烯，很難組裝成高性能的宏觀納米復合材料，且成本很高。采用化學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，且易規模化制備。不過，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合材料，仍然是一個重大的技術難題。
程群峰教授課題組長期致力于仿生多功能石墨烯納米復合材料的研究，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，共價鍵等），仿生構筑了強韌一體化高導電的石墨烯納米復合材料（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同增韌效應，仿生構筑了多功能石墨烯納米復合材料，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上，程群峰教授課題組進一步開發了低溫π-π共軛鍵和共價鍵有序交聯策略，如圖1所示，仿生構筑了超強超韌高導電的多功能石墨烯復合薄膜；該有序交聯石墨烯薄膜的拉伸強度和韌性分別達到945MPa（部分薄膜可超過1GPa）和20.6MJ/m3，為無交聯石墨烯薄膜的4.5和7.9倍；更重要的是，該石墨烯復合薄膜不僅拉伸強度可以與成本較高的準各項同性的商用碳纖維復合材料相媲美，而且韌性遠遠優于后者，如圖2所示。此外，該研究通過原位拉曼表征，從分子尺度揭示了π-π共軛鍵和共價鍵有序界面交聯作用的強韌機制，為制備高性能石墨烯納米復合材料提供了重要理論指導。同時，這種小分子有序交聯的石墨烯復合薄膜（厚度為3~4μm）還具有高導電性能（512S/cm），高電磁屏蔽性能（在0.3~12GHz范圍內，電磁波段的屏蔽效能約為27dB）以及優異的抗腐蝕性能和疲勞性能。這種廉價低溫有序交聯的高性能多功能石墨烯納米復合材料在航空、航天、汽車、柔性電子器件等領域具有廣泛的應用前景。
有序交聯的超強韌高導電石墨烯薄膜
圖1.有序交聯石墨烯薄膜的制備過程(A-B)及照片(C)和橫截斷面微觀形貌(D-E)
有序交聯的超強韌高導電石墨烯薄膜
圖2.有序交聯石墨烯薄膜的力學(A)和電磁屏蔽效能(B)，以及原位拉曼光譜表征(C-F)
該研究得到了國家優秀青年科學基金、教育部新世紀優秀人才計劃、霍英東教育基金、111引智計劃、中國航空科學基金、北京化工大學有機無機復合材料國家重點實驗室、東華大學纖維材料改性國家重點實驗室、985高校基本科研業務費、北京航空航天大學博士研究生卓越學術基金、美國空軍辦公室科學研究項目以及美國國家自然科學基金等項目的支持。
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