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北京航空航天大学程群峰教授课题组发表最新研究成果:有序交联的超强韧高导电石墨烯薄膜
2018-05-09 来源:中国流变网    点击次数:122次    

  5月7日,《美国科学院院刊》在线刊登了北京航空航天大学化学学院程群峰教授,江雷院士团队及其合作者的最新研究成果“有序交联的超强韧高导电石墨烯薄膜”(英译:Sequentially bridged graphene sheets with high strength, toughness, and electrical conductivity),北航化学学院程群峰教授和生物医学工程高精尖中心首席科学家美国工程院院士Ray H. Baughman教授为共同通讯作者,2014级直博生万思杰同学为第一作者,北航为第一通讯单位。

  轻质高强的碳纤维复合材料在日常生活中具有广泛的应用,尤其是在航空、航天、汽车、以及运动器材等领域。然而,碳纤维复合材料在制备和使用时存在如下缺点:

(1)合成碳纤维需要高温(>2500 °C)石墨化,成本较高;

(2)碳纤维复合材料力学性能具有各向异性;

(3)由于较弱的界面作用,碳纤维与聚合物基体之间容易发生分层;

(4)碳纤维复合材料的电学性能较低,不能满足特殊应用需求。

  而石墨烯具有优异的力学、电学性能,是制备新型高性能纳米复合材料的理想材料之一。然而采用气相沉积方法制备的高品质单层石墨烯,很难组装成高性能的宏观纳米复合材料,且成本很高。采用化学方法处理天然矿物石墨粉,即可获得氧化石墨烯,其成本低廉,且易规模化制备。然而,将这种氧化石墨烯纳米片组装成高性能多功能的石墨烯纳米复合材料,仍然是一个重大的技术难题。

  程群峰教授课题组长期致力于仿生多功能石墨烯纳米复合材料的研究,取得了一系列研究成果:例如,基于各种界面作用(氢键,离子键,π键,共价键等),仿生构筑了强韧一体化高导电的石墨烯纳米复合材料(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.);基于一维纳米纤维和二维纳米片的协同增韧效应,仿生构筑了多功能石墨烯纳米复合材料,包括防火性能(J. Mater. Chem. A 2015, 3, 21194.),抗疲劳性能(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。

  在前期仿生界面组装的研究基础上,程群峰教授课题组进一步开发了低温π-π共轭键和共价键有序交联策略,如图1所示,仿生构筑了超强超韧高导电的多功能石墨烯复合薄膜;该有序交联石墨烯薄膜的拉伸强度和韧性分别达到945 MPa(部分薄膜可超过1 GPa)和20.6 MJ/m3,为无交联石墨烯薄膜的4.5和7.9倍;更重要的是,该石墨烯复合薄膜不仅拉伸强度可以与成本较高的准各项同性的商用碳纤维复合材料相媲美,而且韧性远远优于后者,如图2所示。此外,该研究通过原位拉曼表征,从分子尺度揭示了π-π共轭键和共价键有序界面交联作用的强韧机制,为制备高性能石墨烯纳米复合材料提供了重要理论指导。同时,这种小分子有序交联的石墨烯复合薄膜(厚度为3~4 μm)还具有高导电性能(512 S/cm),高电磁屏蔽性能(在0.3~12 GHz范围内,电磁波段的屏蔽效能约为27 dB),以及优异的抗腐蚀性能和疲劳性能。这种廉价低温有序交联的高性能多功能石墨烯纳米复合材料将在航空、航天、汽车、柔性电子器件等领域具有广泛的应用前景。

图1. 有序交联石墨烯薄膜的制备过程(A-B)及照片(C)和横截断面微观形貌(D-E)。

图2. 有序交联石墨烯薄膜的力学(A)和电磁屏蔽效能(B),以及原位拉曼光谱表征(C-F)。

  该研究得到了国家优秀青年科学基金,教育部新世纪优秀人才计划,霍英东教育基金,111引智计划,北航青年拔尖计划,北航青年科学家团队计划,中国航空科学基金,北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室,东华大学纤维材料改性国家重点实验室,985高校基本科研业务费,北京航空航天大学博士研究生卓越学术基金,美国空军办公室科学研究项目以及美国国家自然科学基金等项目的支持。

  论文链接:http://www.pnas.org/content/early/2018/05/03/1719111115

  程群峰教授的课题组网站链接:http://chengresearch.net/zh/home-cn/

 
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