新型超強韌石墨烯材料有望替代碳纖維

中美科學家組成的國際團隊開發出一種超強韌、高導電的石墨烯復合薄膜，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。

發表在最新一期美國《國家科學院學報》上的研究顯示，北京航空航天大學程群峰教授課題組和美國德克薩斯大學達拉斯分校雷·鮑曼團隊受到天然珍珠母力學結構的啟發，制備出微觀結構類似于珍珠母的有序層狀石墨烯結構。

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，力學性能較差。

珍珠母具有高強度、高韌性的力學性能，主要得益于內部規整的層狀結構和離子鍵、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，強度與碳纖維復合材料相當，成本更加低廉，易實現商業規模化制備。

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