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  2021年2月4日，《Nature Materials》以在線全文Article的形式發(fā)表了北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院江雷院士團(tuán)隊(duì)程群峰教授課題組與美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Ray H. Baughman院士團(tuán)隊(duì)在仿生高性能石墨烯薄膜方面的最新研究成果“High-strength scalable graphene sheets by freezing stretch-induced alignment”。北航卓百博士后萬思杰、陳英博士、房少立教授為第一作者，Ray H. Baughman院士和程群峰教授為通訊作者，北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院為第一完成單位。

圖1.高性能石墨烯薄膜的制備過程和結(jié)構(gòu)示意圖

  石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，是構(gòu)筑面向未來先進(jìn)航空飛行器的結(jié)構(gòu)功能一體化零部件（如小型無人機(jī)的蒙皮）的理想基元材料。因此，如何將石墨烯納米片組裝成宏觀高性能納米復(fù)合材料是目前該領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。主要存在的關(guān)鍵科學(xué)問題：（1）石墨烯納米片的褶皺結(jié)構(gòu)和不規(guī)整堆積排列；（2）石墨烯層間較弱的界面相互作用。

  鑒于此，程群峰教授課題組和Ray H. Baughman院士團(tuán)隊(duì)提出了外力牽引下有序界面交聯(lián)的新型組裝策略（圖1a），揭示了界面交聯(lián)“凍結(jié)”外力牽引誘導(dǎo)取向結(jié)構(gòu)的科學(xué)原理，解決了石墨烯納米片組裝過程中的兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，制備了高強(qiáng)度高導(dǎo)電的石墨烯薄膜（圖1b）。這種新型構(gòu)筑策略為其他二維納米片的宏觀組裝提供了新的研究思路。

圖2. 石墨烯薄膜取向前（rGO）和取向后（SB-BS-rGO）

的結(jié)構(gòu)對(duì)比

  研究團(tuán)隊(duì)首先通過離子束切割組裝的還原氧化石墨烯（rGO）薄膜，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部呈現(xiàn)多孔、褶皺結(jié)構(gòu)（圖2a、c），導(dǎo)致石墨烯薄膜的性能較低。其次，雖然單純的外力牽引可以在一定程度上降低石墨烯納米片的褶皺、提升其規(guī)整取向度，但是當(dāng)外力卸載時(shí)，誘導(dǎo)取向的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生部分回彈，從而在一定程度上降低了取向度。因此，他們提出在外力牽引下有序界面交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)“凍結(jié)”此結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升石墨烯薄膜的規(guī)整取向度和密實(shí)度。如圖2b、c所示，石墨烯（SB-BS-rGO）薄膜內(nèi)的石墨烯納米片規(guī)整排列、密實(shí)堆積。此外，廣角和小角X-射線衍射表征（圖2d、e）進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)構(gòu)。

圖3. rGO和SB-BS-rGO薄膜的力學(xué)和電學(xué)性能比較

  石墨烯納米片取向度和堆積密實(shí)度的提高，以及較強(qiáng)的層間界面相互作用，構(gòu)筑的石墨烯薄膜（SB-BS-rGO）相比于純r(jià)GO薄膜具有更高的力學(xué)和電學(xué)性能（圖3a、b），其拉伸強(qiáng)度高達(dá)1.55 GPa、楊氏模量為64.5GPa、韌性為35.9 MJ/m³ 、電導(dǎo)率為1394 S/cm、電磁屏蔽系數(shù)為39.0dB（薄膜厚度2.8μm），分別是rGO薄膜的3.6、10.6、3.3、1.5和1.5倍。該石墨烯（SB-BS-rGO）薄膜的拉伸強(qiáng)度和韌性遠(yuǎn)超面內(nèi)準(zhǔn)各向同性的商用碳纖維織物復(fù)合材料（圖3c）；此外，相比于碳纖維復(fù)合材料，該SB-BS-rGO薄膜（制備過程的溫度低于50oC）的制備成本較低，且原料（石墨）廉價(jià)易得，有望代替商用碳纖維織物復(fù)合材料用于汽車和航空飛行器等。同時(shí)，該SB-BS-rGO薄膜的比電磁屏蔽效能優(yōu)于目前文獻(xiàn)報(bào)道的大多數(shù)實(shí)心屏蔽材料（圖3e）。通過改變外力的大小，可以調(diào)節(jié)該SB-BS-rGO薄膜的取向度，進(jìn)而優(yōu)化其性能。如圖3f所示，隨著取向度的增加，該SB-BS-rGO薄膜的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和密度逐漸提升，而韌性逐漸降低，這與理論模擬預(yù)測(cè)結(jié)果保持一致。

圖4. rGO和SB-BS-rGO薄膜的原位拉曼測(cè)試結(jié)果、負(fù)熱膨脹曲線、應(yīng)力松弛曲線以及彈性形變下的取向度變化

  原位拉曼測(cè)試結(jié)果（圖4a、b）表明，在受力拉伸時(shí)，SB-BS-rGO薄膜相比于rGO薄膜具有更高效的應(yīng)力傳遞效率。此外，由于密實(shí)結(jié)構(gòu)限制了石墨烯納米片的面外變形，因此，SB-BS-rGO薄膜相比于rGO薄膜具有更低的負(fù)熱膨脹系數(shù)（圖4c）。這種高取向密實(shí)化結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的界面作用也賦予SB-BS-rGO薄膜更強(qiáng)的抗應(yīng)力松弛能力（圖4d）以及更小的取向度對(duì)彈性應(yīng)變的變化率（圖4e-h）。

圖5. SB-BS-rGO薄膜的大規(guī)模制備展示及其性能

  研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)該高性能石墨烯薄膜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的環(huán)氧樹脂層壓和粘接處理后，力學(xué)和電學(xué)性能未見明顯降低（圖5a-c）。此外，通過刮涂法代替真空抽濾法，結(jié)合該新型構(gòu)筑策略，制備了大面積高性能石墨烯薄膜（圖5d-g），其性能相比于真空抽濾制備的小尺寸較薄的石墨烯薄膜并未明顯降低，證明了該新型構(gòu)筑策略的規(guī)模化制備能力，為未來高性能石墨烯薄膜的規(guī)模商業(yè)應(yīng)用提供了可能。

  該工作得到中科院院士江雷教授的指導(dǎo)，北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院陳英博士、清華大學(xué)王識(shí)君博士和徐志平教授以及美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校房少立教授和Ray H. Baughman院士的大力合作和幫助，部分模擬計(jì)算得到北航高性能計(jì)算中心的大力支持。

  研究工作得到國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金（51522301）、面上項(xiàng)目（22075009，21875010）、牛頓高級(jí)學(xué)者基金（519611303088）、青年基金（52003011）、牛頓高級(jí)學(xué)者基金（519611303088，NAF\R1\191235）、北京市杰出青年基金（JQ19006）、中國博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX20200038）、中國博士后面上基金（2019M660387）、江門市創(chuàng)新實(shí)踐博士后研究課題、中國科協(xié)優(yōu)秀中外青年交流計(jì)劃、北航青年拔尖人才計(jì)劃、青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)、北航卓百博士后計(jì)劃、生物醫(yī)學(xué)工程高精尖中心、以及111引智計(jì)劃（B14009）等項(xiàng)目的資助。

  該論文的原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00892-2

  程群峰課題組網(wǎng)站鏈接：http://chengresearch.net/zh/home-cn/

  下載：High-strength scalable graphene sheets by freezing stretch-induced alignment