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。
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。
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。常规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。
问题在于：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。
有鉴于此，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，仿生构筑了超强超韧高导电的多功能石墨烯复合薄膜。
图1. 有序交联石墨烯薄膜的制备与表征
研究表明，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/m
3
，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。
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)。
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。
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。
Sijie Wan, Yuchen Li, Jiuke Mu, LeiJiang, Qunfeng Cheng*, Ray H. Baughman*.
Sequentially bridged graphene sheetswith high strength, toughness, and electrical conductivity.
Proc. Natl. Acad.Sci. U.S.A. 2018.
