顺序键合的石墨烯片断裂面的假色扫描电子显微镜图像

      中国北京航空航天大学和德克萨斯大学达拉斯分校科学家领导的国际研究小组开发出了可在低温下制造的高强超韧低成本石墨烯片材。

      该团队通过化学键接的方法将石墨碳小片拼合在一起，这些碳片与普通软铅中发现的石墨相似。用该法制得的材料的机械性能超过了目前在商业碳纤维复合材料产品中碳纤维的的机械性能。

      Robert A. Welch化学特聘主席兼Alan G. MacDiarmid纳米科技研究所主任表示：“这些石墨烯片可最终取代昂贵的碳纤维复合材料，用于从飞机、汽车车身到风车叶片和运动设备等各种用途。”目前他以通讯作者的身份将在Proceedings of the National Academy of Sciences上发表了该文章。

      目前市场上碳纤维复合材料价格昂贵，部分原因是碳纤维的生产条件较为苛刻，需要超过2500摄氏度(华氏约4500华氏度)的高温条件。

      北京航空航天大学化学教授兼文章作者郑群峰博士说：“相比之下，我们的的工艺只需用到价廉易得的石墨，在并在低于45摄氏度(113华氏度)的温度下制得。这些片材在所有面内方向上的强度与叠层碳纤维复合材料的强度相当，并且比碳纤维复合材料失效强度更高。”

      石墨由石墨烯堆叠层组成的小片组成。石墨烯仅仅由一层碳原子组成，碳原子排列成像一个鸡丝网栅栏的图案，网格中的每个六边形都由六个碳原子组成。

      Cheng解释道：“虽然科学家可以通过高温处理连续制造大片石墨烯，并且所得片材具有显著的强度，但仅通过堆叠石墨烯片来制造厚的石墨板是不切实际的，因为仅人类头发厚度的石墨片就需要堆叠大约150,000个石墨烯片。”

      研究人员从具有优异强度和韧性的天然珍珠母中获得了灵感，珍珠层由平行的薄片组成，它们由有机材料的薄层粘合在一起，类似于用砂浆将墙上的砖粘在一起。

      Baughman说：“我们不是机械地堆叠大面积石墨烯片，而是将微米尺寸的石墨片氧化成可以分散在水中的分散体，然后过滤，最终以低成本制造定向氧化石墨烯片。这个过程类似于手工造纸中的过滤纤维浆过程。

      他补充道：“不过在这个阶段的石墨片既不牢固也不坚韧，这意味着它们在破裂之前不能吸收太多能量。整个工艺的重点在于使用桥联剂将这些石墨烯片缝合在一起，来增强互相重叠的石墨烯片，并将氧化石墨烯转化为石墨烯。该工艺创新的关键在于桥联剂的使用在石墨烯片之间形成了共价化学键和范德华键。”

      该文章的第一作者，北京航空航天大学博士生Sijie Wan表示：“纳入桥联剂的片材比不含桥联剂的片材强度高4.5倍，韧性高7.9倍，并且不像碳纤维复合材料那样需要聚合物基体。”

      Wan表示：“尽管昂贵的碳纤维复合材料片可以在所有的薄板平面方向上提供类似的强度，但它们在断裂前能够吸收的能量仅是顺序桥接石墨烯薄片的三分之一。并且由于我们的石墨烯片材是在低温下制造的，成本更加低廉。另外除了表现出较高的片材强度、韧性和抗疲劳性之外，它们还具有高导电性并且能够屏蔽电磁辐射，相信这些性能将使得这些顺序桥接的石墨烯片在未来的应用起到重要作用。”