新型超強韌石墨烯材料有望替代碳纖維

中美科學(xué)家組成的國際團隊開發(fā)出一種超強韌、高導(dǎo)電的石墨烯復(fù)合薄膜，可在室溫條件下以較低成本制備，有望替代目前廣泛使用的碳纖維材料。

發(fā)表在最新一期美國《國家科學(xué)院學(xué)報》上的研究顯示，北京航空航天大學(xué)程群峰教授課題組和美國德克薩斯大學(xué)達拉斯分校雷·鮑曼團隊受到天然珍珠母力學(xué)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，制備出微觀結(jié)構(gòu)類似于珍珠母的有序?qū)訝钍┙Y(jié)構(gòu)。

程群峰說，此前將石墨烯單片機械堆疊成較厚的宏觀材料耗時費力。例如制備人頭發(fā)厚度的石墨烯薄膜，需要堆疊15萬層單片石墨烯，且片層間界面作用較弱，力學(xué)性能較差。

珍珠母具有高強度、高韌性的力學(xué)性能，主要得益于內(nèi)部規(guī)整的層狀結(jié)構(gòu)和離子鍵、共價鍵、氫鍵等豐富的界面作用。研究人員采用化學(xué)制備法而非機械堆疊制備出這種材料。他們借鑒了珍珠母的層狀連接方式，通過在氧化石墨烯層間引入共價鍵、共軛鍵等不同鍵連的交聯(lián)分子，將石墨烯納米片牢固地“縫合”在一起，制造出強韌一體化的高導(dǎo)電石墨烯薄膜。

程群峰說，這種薄膜材料的拉伸斷裂強度是普通石墨烯薄膜的4．5倍，韌性是后者的7．9倍。

研究人員介紹，傳統(tǒng)碳纖維材料的制備條件需超過2500℃，但新材料可在45℃以下的室溫進行制備，強度與碳纖維復(fù)合材料相當(dāng)，成本更加低廉，易實現(xiàn)商業(yè)規(guī)模化制備。

程群峰說，這種廉價、低溫的高性能多功能石墨烯納米復(fù)合材料在航空航天、汽車、柔性電子器件等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。論文通訊作者鮑曼說，薄膜有望最終取代飛機、汽車等設(shè)備使用的碳纖維復(fù)合材料。