石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，其在航空航天以及柔性電子器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，而制約其實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題在于：如何將微米尺度的石墨烯納米片組裝成高性能宏觀材料。目前，提升宏觀石墨烯薄膜性能的策略主要分為優(yōu)化石墨烯納米片的品質(zhì)和石墨烯納米片層之間的有效交聯(lián)。第一種策略包括使用大尺寸的氧化石墨烯（Graphene oxide, GO）納米片，調(diào)控GO納米片的化學(xué)結(jié)構(gòu)等。雖然這些方法在一定程度上可以提升宏觀石墨烯薄膜的性能，但仍遠(yuǎn)低于單層石墨烯納米片。相比之下，第二種策略通過(guò)石墨烯片層之間的界面交聯(lián)作用，可以大幅提升宏觀石墨烯薄膜的性能。然而，界面交聯(lián)劑（如聚合物）的加入往往降低了宏觀石墨烯薄膜的電學(xué)性能。因此，高強(qiáng)高導(dǎo)電宏觀石墨烯復(fù)合薄膜的組裝仍然是該領(lǐng)域的研究難題。

圖1.有序交聯(lián)石墨烯薄膜的制備過(guò)程及結(jié)構(gòu)示意圖。

近日，北京航空航天大學(xué)的程群峰教授提出仿生構(gòu)筑界面交聯(lián)的策略，和美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的Ray H. Baughman教授合作，通過(guò)室溫離子鍵和π共軛作用有序交聯(lián)如圖1所示，仿生構(gòu)筑了高強(qiáng)高導(dǎo)電可折疊的宏觀石墨烯薄膜。該有序交聯(lián)石墨烯薄膜的拉伸強(qiáng)度和韌性分別達(dá)到821.2 MPa和20.2MJ/m³，為無(wú)交聯(lián)石墨烯薄膜的4和7.5倍（如圖2所示）。值得一提的是，該石墨烯薄膜的拉伸強(qiáng)度可以與成本較高的準(zhǔn)各項(xiàng)同性的商用碳纖維復(fù)合材料相媲美，并且韌性優(yōu)于后者。此外，這種有序界面交聯(lián)策略也可以有效提升石墨烯納米片的規(guī)整取向，從而使石墨烯薄膜的導(dǎo)電性能大幅提升，導(dǎo)電率達(dá)到415.8 S/cm，是無(wú)交聯(lián)石墨烯薄膜的1.9倍。此外，這種石墨烯薄膜具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能，在0.3~12 GHz范圍電磁波段的屏蔽效能約為20 dB，優(yōu)于無(wú)交聯(lián)石墨烯薄膜（~14.2 dB）。將GO納米片的尺寸由4.4μm增大到25.1 μm時(shí)，得到的石墨烯薄膜的拉伸強(qiáng)度、韌性和導(dǎo)電率分別從821.2 MPa、20.2MJ/m³和415.8 S/cm增大到924.8MPa，31.4 MJ/m³和550.2S/cm。

圖2.有序交聯(lián)石墨烯薄膜的力學(xué)性能、電學(xué)性能以及電磁屏蔽性能。

為了評(píng)估這種有序交聯(lián)石墨烯薄膜在柔性電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用前景，團(tuán)隊(duì)還研究了其循環(huán)拉伸和360°彎折疲勞性能。如圖3所示，該石墨烯薄膜的拉伸疲勞壽命遠(yuǎn)優(yōu)于無(wú)交聯(lián)石墨烯薄膜。并且，在同等循環(huán)拉伸和360°彎折下，石墨烯薄膜的力學(xué)和電學(xué)性能保持率也較高。此外，如圖4所示，在不同溶劑中長(zhǎng)期浸泡或者超聲下，該有序交聯(lián)的石墨烯薄膜的性能穩(wěn)定性優(yōu)于無(wú)交聯(lián)石墨烯薄膜。這種綜合性能優(yōu)異的石墨烯薄膜在柔性電子器件和航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，同時(shí)，這種室溫有序交聯(lián)策略也可以用于指導(dǎo)其它一維，二維納米材料的宏觀高性能組裝。

圖3.有序交聯(lián)石墨烯薄膜的循環(huán)拉伸和360°彎折疲勞性能。

圖4.有序交聯(lián)石墨烯薄膜在不同溶劑中長(zhǎng)期浸泡和超聲處理的性能穩(wěn)定性。

該工作以“Strong, Conductive, Foldable Graphene Sheets by Sequential Ionic and π Bridging”為題，以背封面的形式（如圖5所示）發(fā)表在國(guó)際材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Advanced Materials上，這也是程群峰教授和Ray H. Baughman教授合作團(tuán)隊(duì)，在室溫有序交聯(lián)強(qiáng)韌一體化高導(dǎo)電石墨烯薄膜研究領(lǐng)域的又一重要進(jìn)展。文章的第一作者是北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士研究生萬(wàn)思杰同學(xué)。

圖5.論文被選為當(dāng)期背封面發(fā)表。

該研究得到了國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃，霍英東教育基金，111引智計(jì)劃，中國(guó)航空科學(xué)基金，北京化工大學(xué)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，985高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)，北京航空航天大學(xué)博士研究生卓越學(xué)術(shù)基金，美國(guó)空軍辦公室科學(xué)研究項(xiàng)目、美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金以及Robert A. Welch基金等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802733

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿