晶体-非晶双相超结构提供全新的制备高性能氧化石墨烯基纤维的方法

北京航空航天大学化学学院郭林教授、岳永海教授与欧洲国际纳米技术研究所王中长研究员等通过在氧化石墨烯纤维中构建晶体-非晶双相超结构，制备了一种具有高强度（935 MPa）和高韧性（10.6 MJ m-3）的纤维。不同于目前常规使用大片氧化石墨烯或者还原石墨烯的方法，该晶体-非晶双相强化策略提供了一种全新的制备高性能氧化石墨烯基纤维的方法。该工作以“Super-strong graphene oxide-based fibres reinforced by a crystalline-amorphous superstructure”为题发表在 Matter 上。北航化学学院李逢时博士后为文章第一作者，赵赫威副教授、博士生孙晓毅为共同第一作者，郭林教授、岳永海教授、王中长研究员为通讯作者。       

高性能纤维在航空航天、生物医学、建筑和纺织等领域都具有广泛的应用。氧化石墨烯（GO）是制造高性能碳基纤维材料的最佳选择材料之一。当前，超强氧化石墨烯基纤维（强度>800 MPa）主要以大尺寸氧化石墨烯（平均尺寸>20 µm）或者还原氧化石墨烯为原料进行制备，上述原料的制备通常需要高温热处理或者需使用有毒性的氢碘酸或水合肼，不仅对环境不友好，而且存在一定的操作危险，因此，发展新的高强纤维增强策略，开发经济、高效且环境友好的制备高性能纤维材料的方法是当前高性能纤维研究领域的热点和难点问题。

郭林教授团队近年来一直专注于晶体/非晶双相增强策略的研究，2019年提出陶瓷纳米纤维的晶体/非晶双相增强策略，制备了报道时最强、最韧的氧化锆陶瓷纳米纤维（ACS Nano, 2019,13, 4191）；后续通过调控材料的生长与成核，实现了非晶氧化锆陶瓷层在羟基磷灰石纳米线表面的均匀生长，并模仿合成了天然牙釉质的无机非晶间质层，制备出从原子尺度到宏观尺度皆具有类牙釉质结构的人工牙釉质（Science,2022, 375, 551）；最近又成功开发了“非晶/晶体异质相-复杂界面构筑及可控组装”的复合材料组装路线，实现了力学性能优异的厘米尺度GO基复合板材的可控制备（Nature Materials, 2022, 　DOI: 10.1038s41563-022-01292-4）。

图1.晶体-非晶双相超结构示意图及纤维力学性能对比图

在本工作中，郭林教授团队创新性地提出了晶体/非晶双相超结构增强策略，制备了一种具有高强度（935 MPa）和高韧性（10.6 MJ m-3）的氧化石墨烯基纤维。该晶体/非晶双相超结构增强策略，不需要采用高能耗的大尺寸氧化石墨烯或还原石墨烯为原材料，而是以普通的氧化石墨烯为材料即可实现高性能纤维的制备，为高性能石墨烯基纤维的制备开辟了一条新道路。

图2.纤维的增韧机制及编织特性

原位力学性能测试表明：不同于传统氧化石墨烯纤维在拉伸过程中出现的“片层拔出”机制，晶体-非晶双相超结构纤维同时还存在“褶皱展开”机制。在两种机制的协同下，纤维的断裂韧性得到了显著提升，进而使得纤维具有优异的结构灵活性，可以容易地混编成粗线或复合材料。在航空航天、机械工程和纺织工程等方面具有巨大的应用潜力。

 

审核编辑：郭婷