北航-程群峰PNAS：开发低温制成的高强度、超韧和高导电性的石墨烯片新型碳材料

第一作者：万思杰

通讯作者：程群峰，Ray H. Baughman

第一单位：北京航空航天大学

研究亮点：

1.采用低温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；

2.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。

【引言】

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。

【成果简介】

北京航空航天大学的程群峰研究团队及其合作者开发了低温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。

【图文解读】

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)。

后续工作：

1.发展宏量制备该超强韧高导电的多功能石墨烯纳米复合材料的新技术；

2.采用其他功能交联剂，制备新型高性能多功能的石墨烯纳米复合材料，并探索其在航空航天、柔性电子器件等领域的应用。

团队简介：

程群峰，1981年12月生，北京航空航天大学化学学院，教授，博士生导师。2003年获河南大学学士学位，2008年获浙江大学高分子化学与物理博士学位，后分别在清华大学、美国佛罗里达州立大学从事博士后研究。2010年就职于北京航空航天大学化学学院，2016年入选教育部青年长江学者，2016年获得中国化学会青年化学奖，2015年获国家优秀青年基金资助，2014年获第十四届霍英东基金资助，2012年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”和“北京市科技新星”。

程群峰教授课题组长期致力于仿生多功能纳米复合材料的研究，取得了一系列研究成果。迄今发表SCI论文61篇，含1篇PNAS, 1篇Acc. Chem. Res.，2篇Chem. Soc. Rev. (2篇封面论文)，4篇Angew. Chem., Int. Ed. (2篇封面论文)，5篇Adv. Mater. (3篇封面论文)，7篇ACS Nano，3篇Adv. Funct. Mater. (2篇封面论文)，其中影响因子>10的论文23篇，论文引用2300余次，H因子24，授权中国专利8项，部分研究成果被Nature选为研究亮点报道。

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

文章链接：Sequentially bridged graphene sheets with high strength, toughness, and electrical conductivity. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2018, DOI：10.1073/pnas.1719111115.

 本文由程群峰教授指导，由材料人编辑部纳米材料学术组Kevin供稿，材料牛编辑整理。欢迎加入材料人编辑部纳米材料学术交流群（228686798）！

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