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(xué)
研究亮點(diǎn)：
1.采用低溫π-π共軛鍵和共價(jià)鍵有序交聯(lián)策略，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；
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(jià)鍵有序界面交聯(lián)作用的強(qiáng)韌機(jī)制。
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、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。常規(guī)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)模化制備。
問題在于：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。
有鑒于此，北京航空航天大學(xué)的程群峰研究團(tuán)隊(duì)及其合作者開發(fā)了低溫π-π共軛鍵和共價(jià)鍵有序交聯(lián)策略，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。
圖1. 有序交聯(lián)石墨烯薄膜的制備與表征
研究表明，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1 GPa）和20.6 MJ/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(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。
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)。
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(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、柔性電子器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
后續(xù)工作：
1. 發(fā)展宏量制備該超強(qiáng)韌高導(dǎo)電的多功能石墨烯納米復(fù)合材料的新技術(shù)；
2. 采用其他功能交聯(lián)劑，制備新型高性能多功能的石墨烯納米復(fù)合材料，并探索其在航空航天、柔性電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用。
Sijie Wan, Yuchen Li, Jiuke Mu, LeiJiang, Qunfeng Cheng*, Ray H. Baughman*. Sequentially bridged graphene sheetswith high strength, toughness, and electrical conductivity. Proc. Natl. Acad.Sci. U.S.A. 2018.
基金支持：
該研究得到了國家優(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，中國航空科學(xué)基金，北京化工大學(xué)有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，985高校基本科研業(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，美國空軍辦公室科學(xué)研究項(xiàng)目以及美國國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
團(tuán)隊(duì)簡介：
程群峰，1981年12月生，北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師。2003年獲河南大學(xué)學(xué)士學(xué)位，2008年獲浙江大學(xué)高分子化學(xué)與物理博士學(xué)位，后分別在清華大學(xué)、美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)從事博士后研究。2010年就職于北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院，2016年入選教育部青年長江學(xué)者，2016年獲得中國化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)，2015年獲國家優(yōu)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(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)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(fù)合材料的研究，取得了一系列研究成果。迄今發(fā)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(quán)中國專利8項(xiàng)，部分研究成果被Nature選為研究亮點(diǎn)報(bào)道。
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