順序鍵合的石墨烯片斷裂面的假色掃描電子顯微鏡圖像
中國北京航空航天大學(xué)和德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組開發(fā)出了可在低溫下制造的高強(qiáng)超韌低成本石墨烯片材。
? 該團(tuán)隊通過化學(xué)鍵接的方法將石墨碳小片拼合在一起，這些碳片與普通軟鉛中發(fā)現(xiàn)的石墨相似。用該法制得的材料的機(jī)械性能超過了目前在商業(yè)碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品中碳纖維的的機(jī)械性能。
Robert A. Welch化學(xué)特聘主席兼Alan G. MacDiarmid納米科技研究所主任表示：“這些石墨烯片可最終取代昂貴的碳纖維復(fù)合材料，用于從飛機(jī)、汽車車身到風(fēng)車葉片和運動設(shè)備等各種用途。”目前他以通訊作者的身份將在Proceedings of the National Academy of Sciences上發(fā)表了該文章。
? 目前市場上碳纖維復(fù)合材料價格昂貴，部分原因是碳纖維的生產(chǎn)條件較為苛刻，需要超過2500攝氏度（華氏約4500華氏度）的高溫條件。
北京航空航天大學(xué)化學(xué)教授兼文章作者鄭群峰博士說：“相比之下，我們的的工藝只需用到價廉易得的石墨，在并在低于45攝氏度（113華氏度）的溫度下制得。這些片材在所有面內(nèi)方向上的強(qiáng)度與疊層碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度相當(dāng)，并且比碳纖維復(fù)合材料失效強(qiáng)度更高。”
石墨由石墨烯堆疊層組成的小片組成。石墨烯僅僅由一層碳原子組成，碳原子排列成像一個雞絲網(wǎng)柵欄的圖案，網(wǎng)格中的每個六邊形都由六個碳原子組成。
Cheng解釋道：“雖然科學(xué)家可以通過高溫處理連續(xù)制造大片石墨烯，并且所得片材具有顯著的強(qiáng)度，但僅通過堆疊石墨烯片來制造厚的石墨板是不切實際的，因為僅人類頭發(fā)厚度的石墨片就需要堆疊大約150,000個石墨烯片。”
研究人員從具有優(yōu)異強(qiáng)度和韌性的天然珍珠母中獲得了靈感，珍珠層由平行的薄片組成，它們由有機(jī)材料的薄層粘合在一起，類似于用砂漿將墻上的磚粘在一起。
Baughman說：“我們不是機(jī)械地堆疊大面積石墨烯片，而是將微米尺寸的石墨片氧化成可以分散在水中的分散體，然后過濾，最終以低成本制造定向氧化石墨烯片。這個過程類似于手工造紙中的過濾纖維漿過程。
他補(bǔ)充道：“不過在這個階段的石墨片既不牢固也不堅韌，這意味著它們在破裂之前不能吸收太多能量。整個工藝的重點在于使用橋聯(lián)劑將這些石墨烯片縫合在一起，來增強(qiáng)互相重疊的石墨烯片，并將氧化石墨烯轉(zhuǎn)化為石墨烯。該工藝創(chuàng)新的關(guān)鍵在于橋聯(lián)劑的使用在石墨烯片之間形成了共價化學(xué)鍵和范德華鍵。”
該文章的第一作者，北京航空航天大學(xué)博士生Sijie Wan表示：“納入橋聯(lián)劑的片材比不含橋聯(lián)劑的片材強(qiáng)度高4.5倍，韌性高7.9倍，并且不像碳纖維復(fù)合材料那樣需要聚合物基體。”
Wan表示：“盡管昂貴的碳纖維復(fù)合材料片可以在所有的薄板平面方向上提供類似的強(qiáng)度，但它們在斷裂前能夠吸收的能量僅是順序橋接石墨烯薄片的三分之一。并且由于我們的石墨烯片材是在低溫下制造的，成本更加低廉。另外除了表現(xiàn)出較高的片材強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性之外，它們還具有高導(dǎo)電性并且能夠屏蔽電磁輻射，相信這些性能將使得這些順序橋接的石墨烯片在未來的應(yīng)用起到重要作用。”
