我国学者与海外合作者在强韧化氧化石墨烯基复合块体材料制备领域取得进展

　　

图 多尺度、多级次、多组分仿贝壳氧化石墨烯基复合板材的组装设计策略

　　在国家自然科学基金项目（批准号：51532001、51772011）等资助下，北京航空航天大学郭林教授团队与国内外学者合作，在仿贝壳层状氧化石墨烯（GO）基复合板材制备领域取得进展。研究成果以“多尺度界面交联的非均相片层增强氧化石墨烯块体材料（Graphene oxide bulk material reinforced by heterophase platelets with multiscale interface crosslinking）”为题，于2022年7月7日在线发表于《自然·材料》（Nature Materials）杂志。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01292-4。

　　性能优异的轻质、高强、高韧复合材料在航空航天、机械制造、电子信息等领域有着迫切的实际需求和广泛的应用前景。氧化石墨烯（GO），作为石墨烯的一种重要衍生物，具有优异力学性能和高化学稳定性。近年来，GO作为制备高强韧复合材料的理想填料或组装单元之一，受到广泛的关注和深入的研究。目前制备的GO基复合材料仅限于高性能纤维、薄膜或者轻质泡沫，实现大尺寸的三维块体复合板材的可控构筑和力学性能的提升面临着巨大的挑战。

　　北京航空航天大学研究团队及其合作者受天然贝壳多尺度、多级次、非均相微纳米“砖-泥”结构所赋予的优异力学性能启发，设计了基于“纳米结构单元合成，非晶/晶体GO/MnO₂异质相-复杂界面构筑及其可控组装”的仿贝壳层状复合材料制备路线，实现了力学性能优异的厘米尺度GO复合板材的可控组装与制备（图）。相比纯的GO、SA以及无交联浸泡复合板材，GO基复合板材具备更高的弯曲强度（218.4 ± 11.2MPa）和优异的断裂韧性（KJC，5.4 ± 0.4MPa·m^1/2），其强度几乎是纯GO的12.5倍，韧性是纯GO约40倍；同时，该GO基板材具有低的密度（~1.85g·cm^-3），综合性能为迄今厘米尺度GO基复合块体板材中力学性能最优的报道之一。

　　本工作揭示了非晶体MnO₂与GO纳米片之间存在更强的相互作用力，证实了以晶体/非晶-MnO₂/GO为基础的纳米“砖-泥”结构与微米复合薄膜片层“软-硬”堆叠结构高度有序结合，是实现该复合板材优异力学性能表现的关键，为先进柔性二维纳米材料实现从纳米尺度到宏观尺度的组装，并获得优异的力学性能提供了借鉴和指导。