科学家们在低温下制造坚固 超韧的碳片

由中国北京航空航天大学和德克萨斯大学达拉斯分校的科学家领导的国际研究小组开发出了高强度，超韧性碳片，可在低温下廉价制造。

该团队通过化学拼接石墨碳片制成片材，这类似于普通铅笔软铅中的石墨。制造过程产生的材料的机械性能超过目前用于各种商业产品的碳纤维复合材料的机械性能。

“这些板材最终可能取代昂贵的碳纤维复合材料，用于从飞机和汽车车身到风车叶片和运动设备的所有产品，”瑞士达拉斯的Robert A. Welch化学杰出教授兼主任Ray Baughman博士说。 Alan G. MacDiarmid NanoTech研究所。Baughman是一篇文章的相应作者，该文章描述了本周在“ 美国国家科学院院刊 ”网络版上发表的材料。

今天的碳纤维复合材料价格昂贵，部分原因是碳纤维是在极高温度下生产的，温度可超过2500摄氏度(约4,500华氏度)。

“相比之下，我们的工艺可以使用廉价从地面挖出并在低于45摄氏度(113华氏度)的温度下加工的石墨，”北京航空航天大学化学教授，相应作者陈群峰博士说。“这些板材在所有面内方向上的强度与合股碳纤维复合材料的强度相匹配，它们在失效之前可以比碳纤维复合材料吸收更高的机械能。”

石墨由堆叠的石墨烯层组成的薄片组成。石墨烯只是一层碳原子，排列成一个看起来像鸡丝网围栏的图案，网格中的每个六边形由六个碳原子组成。

“虽然科学家们可以通过高温处理连续制作大片石墨烯，并且已经证明这些片材具有非凡的强度，但仅通过堆叠大面积的石墨烯片制作厚石墨板是不切实际的，”Cheng说。“人们需要堆叠大约150,000个石墨烯片才能制成出具有大约人类头发厚度的石墨片。”

研究人员在天然珍珠母(也被称为珍珠母)中发现了灵感，它为一些贝壳提供了强度和韧性。珍珠层由平行的薄片组成，薄片由有机材料的薄层粘合在一起，类似于墙壁中的砖通过砂浆固定在一起的方式。

“我们不是机械堆叠大面积石墨烯片，而是氧化微米级石墨片，使它们可以分散在水中，然后过滤这种分散体，以便廉价地制备取向氧化石墨片，”Baughman说。“这个过程类似于通过过滤纤维浆料来手工制作纸张。

“在这个阶段，床单既不强壮也不坚韧，这意味着它们在破裂前不能吸收太多能量，”他说。“我们使用的技巧是使用顺序渗透的桥接剂将这些片材中的血小板拼接在一起，这些桥接剂将相互重叠的相邻血小板互连，并将氧化的氧化石墨烯转化为石墨烯。这一进步的关键是我们的桥接剂分别通过形成共价来起作用化学债券和范德华债券。“

北京大学博士生Sijie Wan是该期刊文章的主要作者，他说，加入过桥剂的床单比无剂床单强4.5倍，比无剂更厚7.9倍。“与碳纤维复合材料不同，不需要聚合物基质，”他说。

“虽然昂贵的碳纤维复合材料板可以在所有板面方向上提供相似的强度，但它们在断裂前能够吸收的能量约为我们顺序桥接的石墨烯板的三分之一，”Wan说。“因为我们的板材是在低温下制造的，所以它们成本低。除了具有高板材强度，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。这些性能使这些顺序桥接的石墨烯板对未来可能的应用非常有吸引力。“