仿貝殼強韌化氧化石墨烯基復合板材的可控制備

北京航空航天大學郭林教授團隊與國內外學者合作，在基于“納米結構單元合成，非晶/晶體異質相-復雜界面構筑及其可控組裝”的仿貝殼層狀氧化石墨烯(GO)基復合板材制備領域取得重要進展。

性能優異的輕質、高強、高韌復合材料在航空航天、機械制造、電子信息等領域有著迫切的實際需求和廣泛的應用前景。氧化石墨烯(GO)，作為石墨烯的一種重要的衍生物，具有優異力學性能和高化學穩定性。近年來，GO作為制備高強韌復合材料的理想填料或組裝單元之一，受到廣泛的關注和深入的研究。目前制備的GO基復合材料僅限于高性能纖維、薄膜或者輕質泡沫，實現大尺寸的三維塊體復合板材的可控構筑和力學性能的提升面臨著巨大的挑戰。

北京航空航天大學研究團隊及其合作者受天然貝殼多尺度、多級次、非均相微納米“磚-泥”結構所賦予的優異力學性能啟發，設計了基于“納米結構單元合成，非晶/晶體GO/MnO2異質相-復雜界面構筑及其可控組裝”的仿貝殼層狀復合材料制備路線，實現了力學性能優異的厘米尺度GO復合板材的可控組裝與制備。相比純的GO、SA以及無交聯浸泡復合板材，GO基復合板材具備更高的彎曲強度((218.4±11.2)MPa)和優異的斷裂韌性((5.4±0.4)MPa·m1/2)，其強度幾乎是純GO的12.5倍，韌性是純GO約40倍；同時，該GO基板材具有低的密度(約1.85 g/cm3)，綜合性能為迄今厘米尺度GO基復合塊體板材中力學性能最優的報道之一。

該研究工作揭示了非晶體MnO2與GO納米片之間存在更強的相互作用力，以及以晶體/非晶-MnO2/GO為基礎的納米“磚-泥”結構與微米復合薄膜片層“軟-硬”堆疊結構高度有序結合，是實現該復合板材優異力學性能表現的關鍵所在，這一點為先進的柔性二維納米材料實現從納米尺度到宏觀尺度的組裝，并獲得優異的力學性能提供了理論借鑒。