北航-程群峰PNAS：開發低溫制成的高強度、超韌和高導電性的石墨烯片新型碳材料

第一作者：萬思杰

通訊作者：程群峰，Ray H. Baughman

第一單位：北京航空航天大學

研究亮點：

1.采用低溫π-π共軛鍵和共價鍵有序交聯策略，仿生構筑了超強超韌高導電的多功能石墨烯復合薄膜；

2.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。

【引言】

輕質高強的碳纖維復合材料在日常生活中具有廣泛的應用，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如下缺點：（1）合成碳纖維需要高溫（>2500 °C）石墨化，成本較高；（2）碳纖維復合材料力學性能具有各向異性；（3）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；（4）碳纖維復合材料的電學性能較低，不能滿足特殊應用需求。而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。然而，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。

【成果簡介】

北京航空航天大學的程群峰研究團隊及其合作者開發了低溫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945 MPa（部分薄膜可超過1 GPa）和20.6 MJ/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3~4 μm）還具有高導電性能（512 S/cm），高電磁屏蔽性能（在0.3~12 GHz范圍內，電磁波段的屏蔽效能約為27 dB），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將在航空、航天、汽車、柔性電子器件等領域具有廣泛的應用前景。

【圖文解讀】

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)。

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)。

后續工作：

1.發展宏量制備該超強韌高導電的多功能石墨烯納米復合材料的新技術；

2.采用其他功能交聯劑，制備新型高性能多功能的石墨烯納米復合材料，并探索其在航空航天、柔性電子器件等領域的應用。

團隊簡介：

程群峰，1981年12月生，北京航空航天大學化學學院，教授，博士生導師。2003年獲河南大學學士學位，2008年獲浙江大學高分子化學與物理博士學位，后分別在清華大學、美國佛羅里達州立大學從事博士后研究。2010年就職于北京航空航天大學化學學院，2016年入選教育部青年長江學者，2016年獲得中國化學會青年化學獎，2015年獲國家優秀青年基金資助，2014年獲第十四屆霍英東基金資助，2012年入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”和“北京市科技新星”。

程群峰教授課題組長期致力于仿生多功能納米復合材料的研究，取得了一系列研究成果。迄今發表SCI論文61篇，含1篇PNAS, 1篇Acc. Chem. Res.，2篇Chem. Soc. Rev. (2篇封面論文)，4篇Angew. Chem., Int. Ed. (2篇封面論文)，5篇Adv. Mater. (3篇封面論文)，7篇ACS Nano，3篇Adv. Funct. Mater. (2篇封面論文)，其中影響因子>10的論文23篇，論文引用2300余次，H因子24，授權中國專利8項，部分研究成果被Nature選為研究亮點報道。

程群峰教授的課題組網站鏈接：http://chengresearch.net/zh/home-cn/

文章鏈接：Sequentially bridged graphene sheets with high strength, toughness, and electrical conductivity. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2018, DOI：10.1073/pnas.1719111115.

?本文由程群峰教授指導，由材料人編輯部納米材料學術組Kevin供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入材料人編輯部納米材料學術交流群（228686798）！

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