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際納米技術(shù)研究所王中長研究員等通過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，超強氧化石墨烯基纖維（強度>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?，不僅對環(huán)境不友好，而且存在一定的操作危險，因此，發(fā)展新的高強纖維增強策略，開發(fā)經(jīng)濟、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)域的熱點和難點問題。

郭林教授團隊近年來一直專注于晶體/非晶雙相增強策略的研究，2019年提出陶瓷納米纖維的晶體/非晶雙相增強策略，制備了報道時最強、最韌的氧化鋯陶瓷納米纖維（ACS Nano, 2019,13, 4191）；后續(xù)通過調(diào)控材料的生長與成核，實現(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，并模仿合成了天然牙釉質(zhì)的無機非晶間質(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)性能對比圖

在本工作中，郭林教授團隊創(chuàng)新性地提出了晶體/非晶雙相超結(jié)構(gòu)增強策略，制備了一種具有高強度（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現(xiàn)高性能纖維的制備，為高性能石墨烯基纖維的制備開辟了一條新道路。

圖2.纖維的增韌機制及編織特性

原位力學(xué)性能測試表明：不同于傳統(tǒng)氧化石墨烯纖維在拉伸過程中出現(xiàn)的“片層拔出”機制，晶體-非晶雙相超結(jié)構(gòu)纖維同時還存在“褶皺展開”機制。在兩種機制的協(xié)同下，纖維的斷裂韌性得到了顯著提升，進而使得纖維具有優(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