晶體-非晶雙相超結(jié)構(gòu)提供全新的制備高性能氧化石墨烯基纖維的方法

北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院郭林教授、岳永海教授與歐洲國(guó)際納米技術(shù)研究所王中長(zhǎng)研究員等通過(guò)在氧化石墨烯纖維中構(gòu)建晶體-非晶雙相超結(jié)構(gòu)，制備了一種具有高強(qiáng)度（935 MPa）和高韌性（10.6 MJ m-3）的纖維。不同于目前常規(guī)使用大片氧化石墨烯或者還原石墨烯的方法，該晶體-非晶雙相強(qiáng)化策略提供了一種全新的制備高性能氧化石墨烯基纖維的方法。該工作以“Super-strong graphene oxide-based fibres reinforced by a crystalline-amorphous superstructure”為題發(fā)表在 Matter 上。北航化學(xué)學(xué)院李逢時(shí)博士后為文章第一作者，趙赫威副教授、博士生孫曉毅為共同第一作者，郭林教授、岳永海教授、王中長(zhǎng)研究員為通訊作者。

高性能纖維在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、建筑和紡織等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。氧化石墨烯（GO）是制造高性能碳基纖維材料的最佳選擇材料之一。當(dāng)前，超強(qiáng)氧化石墨烯基纖維（強(qiáng)度>800 MPa）主要以大尺寸氧化石墨烯（平均尺寸>20 μm）或者還原氧化石墨烯為原料進(jìn)行制備，上述原料的制備通常需要高溫?zé)崽幚砘蛘咝枋褂糜卸拘缘臍涞馑峄蛩想?，不僅對(duì)環(huán)境不友好，而且存在一定的操作危險(xiǎn)，因此，發(fā)展新的高強(qiáng)纖維增強(qiáng)策略，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效且環(huán)境友好的制備高性能纖維材料的方法是當(dāng)前高性能纖維研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

郭林教授團(tuán)隊(duì)近年來(lái)一直專注于晶體/非晶雙相增強(qiáng)策略的研究，2019年提出陶瓷納米纖維的晶體/非晶雙相增強(qiáng)策略，制備了報(bào)道時(shí)最強(qiáng)、最韌的氧化鋯陶瓷納米纖維（ACS Nano, 2019,13, 4191）；后續(xù)通過(guò)調(diào)控材料的生長(zhǎng)與成核，實(shí)現(xiàn)了非晶氧化鋯陶瓷層在羥基磷灰石納米線表面的均勻生長(zhǎng)，并模仿合成了天然牙釉質(zhì)的無(wú)機(jī)非晶間質(zhì)層，制備出從原子尺度到宏觀尺度皆具有類牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)的人工牙釉質(zhì)（Science,2022, 375, 551）；最近又成功開(kāi)發(fā)了“非晶/晶體異質(zhì)相-復(fù)雜界面構(gòu)筑及可控組裝”的復(fù)合材料組裝路線，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能優(yōu)異的厘米尺度GO基復(fù)合板材的可控制備（Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038s41563-022-01292-4）。

圖1.晶體-非晶雙相超結(jié)構(gòu)示意圖及纖維力學(xué)性能對(duì)比圖

在本工作中，郭林教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了晶體/非晶雙相超結(jié)構(gòu)增強(qiáng)策略，制備了一種具有高強(qiáng)度（935 MPa）和高韌性（10.6 MJ m-3）的氧化石墨烯基纖維。該晶體/非晶雙相超結(jié)構(gòu)增強(qiáng)策略，不需要采用高能耗的大尺寸氧化石墨烯或還原石墨烯為原材料，而是以普通的氧化石墨烯為材料即可實(shí)現(xiàn)高性能纖維的制備，為高性能石墨烯基纖維的制備開(kāi)辟了一條新道路。

圖2.纖維的增韌機(jī)制及編織特性

原位力學(xué)性能測(cè)試表明：不同于傳統(tǒng)氧化石墨烯纖維在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)的“片層拔出”機(jī)制，晶體-非晶雙相超結(jié)構(gòu)纖維同時(shí)還存在“褶皺展開(kāi)”機(jī)制。在兩種機(jī)制的協(xié)同下，纖維的斷裂韌性得到了顯著提升，進(jìn)而使得纖維具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)靈活性，可以容易地混編成粗線或復(fù)合材料。在航空航天、機(jī)械工程和紡織工程等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

審核編輯：郭婷