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 【引言】

碳纖維增強高聚物復合材料（CFRPC）正廣泛應用于汽車、航空、電子、能源和生物醫藥技術領域。然而，碳纖維復合材料存在很多缺點，而這些缺點無論從技術角度還是從經濟的角度來看，都會限制其更廣泛的應用。該材料在應用時主要存在以下缺點：

1． 碳纖維復合材料力學性能具有準各向同性；

2． 由于較弱的界面作用，碳纖維與聚合物基體之間容易發生分層；

3． 碳纖維復合材料的電學性能較低，不能滿足特殊應用需求。

碳基納米材料（單一碳納米管和單層石墨烯片）具有優異的力學和電學性能（主要原因是該類材料具有sp2雜化軌道作用以及幾乎無缺陷結構），已經成為制備新型高性能納米復合材料的理想材料之一。而如何將廉價、易得的氧化石墨烯納米片用于組裝高性能石墨烯復合材料，仍然面臨著許多挑戰。

【成果簡介】

最近，北京航空航天大學化學學院程群峰教授和德克薩斯大學達拉斯分校Ray H． Baughmanc教授（共同通訊作者）在PNAS發表題為“Sequentially bridged graphene sheets with high strength， toughness， and electrical conductivity”的研究論文，文中開發了一種低溫π－π共軛鍵和共價鍵有序交聯策略。研究者們研究了兩種可用于連接石墨烯片的交聯作用（共價鍵和π－π鍵）， 結果表明，如果只應用一種交聯作用，π－π共軛鍵對于連接石墨烯片更有效。然而，當π－π鍵和共價鍵的配比達到最佳時，可獲得強度、韌性、抗疲勞性、導電性、電磁屏蔽性能以及抗超聲溶解性等性能最佳的石墨烯薄膜。此外，石墨烯薄膜的規整取向度會隨著鍵合作用的有效性和層間距的增加而增加。同時，這種仿生無樹脂石墨烯薄膜的抗拉強度（945 MPa）高于碳納米管或石墨烯復合材料，甚至可與市售的碳纖維復合材料的抗拉強度相媲美。這些復合材料（包含π－π鍵和共價鍵）的韌性遠高于其他材料（所有平面方向上都具有高強度）的韌性。

【圖文導讀】

圖一 SBG（有序交聯石墨烯）薄膜的制備與結構表征

（A）采用過濾法將GO（氧化石墨烯）碎片組裝成GO片，然后將PCO（10，12－二十五碳二炔－1－醇）浸滲入GO片內并用紫外線（UV）照射GO片使其聚合；接下來，將GO－PCO置于HI中使其還原；之后將PSE和AP依次浸入GO片中，PSE和AP相互反應形成PSEAP分子，這種分子可在rGO層間形成π鍵

（B）SBG薄膜中不同碎片的rGO層間可能產生的邊緣連接結構模型示意圖

（C）表示SBG薄膜柔性的照片

（D）已經斷裂的SBG薄膜橫截面的低分辨SEM圖像

（E）（D）中方框部分的高分辨SEM圖像

（F）－（I）分別代表 rGO、G－PCO、πBG－V和SBG－V薄膜002峰的方位掃描分布圖和寬角度X射線掃描（WAXS）圖譜（入射光束平行于薄膜平面）

圖二 各種材料的抗拉強度和韌性

圖的上部表示rGO、G－PCO、πBG－V和SBG－V的抗拉強度與韌性，圖的下部表示這些類型的薄膜分別在NMP、DMF、NaOH （OH－ 濃度為8 mol·L－1）、H2SO4 （H＋ 濃度為8 mol·L－1）和水中超聲時首次出現破壞所需要的時間

圖三 SBG薄膜的性能

（A）rGO、G－PCO、πBG－V和SBG－V薄膜典型的應力－應變曲線圖

（B）SBG－V薄膜與其他材料（這些材料在所有平面取向上都具有高強度）的抗拉強度和韌性，其中紅星、綠色符號、橙色符號和紫色符號分別代表SBG－V、碳纖維復合材料、碳納米管薄膜復合材料以及石墨烯薄膜復合材料

（C）SBG－V薄膜與其他金屬的重量比強度

（D）rGO、GPCO、πBGV和SBG－V薄膜的循環疲勞壽命與最大應力的關系曲線圖

（E）rGO、GPCO、πBGV和SBG－V薄膜的重量比電導率和絕對電導率

（F）rGO、GPCO、πBGV和SBG－V薄膜（厚度為3．3－3．8 μm）的電磁屏蔽性能與頻率的關系曲線圖

圖四 各種薄膜的拉曼頻率的下移與應變的關系

（A）－（D）分別表示rGO、GPCO、πBGV和SBG－V薄膜的拉曼頻率下移與應變的依賴關系，圖中右上角表示零應變下薄膜的光學圖像，左下角表示拉曼頻率的空間分布（所有的圖像面積都是400 μm2）；比例尺表示圖像中的顏色與拉曼頻率之間的關系

【小結】

該研究通過原位拉曼表征，從分子尺度揭示了π－π共軛鍵和共價鍵有序界面交聯作用的強韌機制，為制備高性能石墨烯納米復合材料提供了重要理論指導。此外，該研究還發現，這種有序交聯石墨烯薄膜的拉伸強度和韌性分別達到945 MPa（部分薄膜可超過1 GPa）和20．6 MJ·m－3，是無交聯石墨烯薄膜的4．5和7．9倍；而且該石墨烯薄膜（厚度為3．3－3．8 μm）也具有高導電性（512 S·cm－1），高電磁屏蔽性能（在0．3～12 GHz范圍內，電磁波段的屏蔽效能約為27 dB）以及優異的抗腐蝕性能和抗疲勞性能。因此，這種廉價低溫有序交聯的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的應用前景。