有序交聯(lián)的超強韌高導(dǎo)電石墨烯薄膜
有序交聯(lián)的超強韌高導(dǎo)電石墨烯薄膜
5月7日，《美國科學(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、江雷院士團隊及其合作者的最新研究成果“有序交聯(lián)的超強韌高導(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(zhì)高強的碳纖維復(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、汽車以及運動器材等領(lǐng)域。然而，碳纖維復(fù)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(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)?；苽?。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(fù)合材料，仍然是一個重大的技術(shù)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(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，共價鍵等），仿生構(gòu)筑了強韌一體化高導(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一步開發(fā)了低溫π-π共軛鍵和共價鍵有序交聯(lián)策略，如圖1所示，仿生構(gòu)筑了超強超韌高導(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(lián)石墨烯薄膜的4.5和7.9倍；更重要的是，該石墨烯復(fù)合薄膜不僅拉伸強度可以與成本較高的準各項同性的商用碳纖維復(fù)合材料相媲美，而且韌性遠遠優(yōu)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(lián)作用的強韌機制，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，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、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程(A-B)及照片(C)和橫截斷面微觀形貌(D-E)
有序交聯(lián)的超強韌高導(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)
該研究得到了國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃、霍英東教育基金、111引智計劃、中國航空科學(xué)基金、北京化工大學(xué)有機無機復(fù)合材料國家重點實驗室、東華大學(xué)纖維材料改性國家重點實驗室、985高校基本科研業(yè)務(wù)費、北京航空航天大學(xué)博士研究生卓越學(xué)術(shù)基金、美國空軍辦公室科學(xué)研究項目以及美國國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
本文出自東莞市捷誠石墨制品有限公司官網(wǎng)：http://m.njkefeiya.com 權(quán)威發(fā)布， 東莞市捷誠石墨制品有限公司是一家集銷售、應(yīng)用開發(fā)，產(chǎn)品加工的石墨專業(yè)廠家，專門為模具行業(yè)、機械行業(yè)、真空熱處理爐、電子半導(dǎo)體及太陽能光伏產(chǎn)業(yè)等提供石墨材料、石墨電極和相關(guān)的石墨制品，歡迎致電13549365158更多關(guān)于石墨制品方面信息，可回本網(wǎng)站產(chǎn)品頁面詳細了解點擊：石墨制品 石墨模具 石墨坩堝 石墨轉(zhuǎn)子 石墨軸承 石墨板 石墨棒 石墨匣體 石墨熱場 真空爐石墨制品 電子石墨模具