5月7日，《美國(guó)科學(xué)院院刊》在線(xiàn)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），北航化學(xué)學(xué)院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)思杰同學(xué)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具有廣泛的應(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)存在如下缺點(diǎn)：
（1）合成碳纖維需要高溫（>2500 °C）石墨化，成本較高；
（2）碳纖維復(fù)合材料力學(xué)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(fā)生分層；
（4）碳纖維復(fù)合材料的電學(xué)性能較低，不能滿(mǎn)足特殊應(yīng)用需求。
而石墨烯具有優(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)；苽洹Ｈ欢，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 Nano 2014, 8, 9511; Adv. Funct. Mater. 2018, 1800924.）；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. A 2015, 3, 21194.），抗疲勞性能（ACS Nano 2015, 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945 MPa（部分薄膜可超過(guò)1 GPa）和20.6 MJ/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3~4 μm）還具有高導(dǎo)電性能（512 S/cm），高電磁屏蔽性能（在0.3~12 GHz范圍內(nèi)，電磁波段的屏蔽效能約為27 dB），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)合材料將在航空、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。
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)。
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，北航青年拔尖計(jì)劃，北航青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)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。
論文鏈接：http://www.pnas.org/content/early/2018/05/03/1719111115
程群峰教授的課題組網(wǎng)站鏈接：http://chengresearch.net/zh/home-cn/
- 浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定高導(dǎo)電石墨烯膜 2019-10-16
- 華中大瞿金平院士/吳婷團(tuán)隊(duì)《ACS Nano》：復(fù)眼啟發(fā)的超疏水、陷光仿生復(fù)合材料—用于全天候能量捕獲與循環(huán)利用 2022-10-17
- 中科院寧波材料所劉小青團(tuán)隊(duì)《ACS Nano》：在樹(shù)脂基碳材料制備上取得新進(jìn)展 2021-11-22
- 蘇州大學(xué)—北京石墨烯研究院協(xié)同創(chuàng)新中心劉忠范—孫靖宇課題組博士后與科研助理招聘啟事 2021-03-08
