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北航程群峰团队:联合美科学家构筑新型超强韧石墨烯复合薄膜
罗纳尔多 2018-05-12
导语

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。


日前,北京航空航天大学程群峰教授课题组和美国得克萨斯大学达拉斯分校雷·鲍曼团队共同采用室温π—π共轭键和共价键有序交联策略,仿生构筑了超强、超韧、高导电的多功能石墨烯复合薄膜。这种廉价、低温的高性能多功能石墨烯纳米复合材料在航空航天、汽车、柔性电子器件等领域具有广泛应用前景,并有望替代目前广泛应用的碳纤维复合材料。

据了解,轻质高强的碳纤维复合材料在日常生活中有广泛的应用,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一些缺点,如合成碳纤维需要高温(>2500°C)石墨化,成本较高;碳纤维复合材料力学性能具有各向异性;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;碳纤维复合材料的电学性能较低,不能满足特殊应用需求。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。不过,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。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,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945MPa(部分薄膜可超过1GPa)和20.6MJ/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。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3~4μm)还具有高导电性能(512S/cm),高电磁屏蔽性能(在0.3~12GHz范围内,电磁波段的屏蔽效能约为27dB)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。

文章链接:

Sijie Wan, et al, "Sequentially bridged graphene sheets with high strength, toughness, and electrical conductivity," PNAS May 7, 2018. 201719111

(本文来源:北京航空航天大学新闻网;)

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作者 罗纳尔多

学生

北京理工大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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