作為最早被發(fā)現(xiàn)和研究的二維材料，石墨烯具有非常優(yōu)異的物理和機械性能，比如面內(nèi)理論拉伸強度、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率分別可達130 GPa、108 S m-1和5300 W m-1 K-1，因此被認為是最理想也是最具潛力的結(jié)構(gòu)和功能材料。
為了使石墨烯得到宏觀應(yīng)用，目前主流的策略是將小尺寸石墨烯衍生物(如氧化石墨烯GO)通過各種方法來組裝宏觀薄膜、纖維或塊體材料。然而大量的研究結(jié)果表明，通過組裝法制備的石墨烯宏觀薄膜材料的力學(xué)強度遠低于預(yù)測值，而造成這一問題的主要原因是在石墨烯制備過程中，石墨烯面外柔性以及溶劑揮發(fā)引起的的強毛細管力會導(dǎo)致薄膜中存在大量的無規(guī)皺紋。這些無規(guī)皺紋會引起應(yīng)力集中以及電子、聲子散射等問題，從而導(dǎo)致石墨烯薄膜強度、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的降低。
為了解決這一問題，浙江大學(xué)高超、許震團隊聯(lián)合西安交通大學(xué)劉益?zhèn)惤淌趫F隊創(chuàng)造性地開發(fā)了一種溶劑插層塑化拉伸方法對連續(xù)制備的GO薄膜進行二次塑化處理，大幅度消除薄膜內(nèi)部無規(guī)皺紋的同時，增加了石墨烯的堆疊結(jié)晶度和宏觀、微觀取向度。
經(jīng)過化學(xué)還原后得到的石墨烯薄膜的Herman有序度為0.93，拉伸強度和模量分別達到了1.1GPa和60.27GPa，熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率分別達到109.11 Wm-1K-1和1.09×105Sm-1，并且與環(huán)氧樹脂復(fù)合后得到的結(jié)構(gòu)材料強度634 MPa。同時，這種方法還可以實現(xiàn)大規(guī)模、連續(xù)化制備，因此在工業(yè)實際應(yīng)用中表現(xiàn)出了極大的潛力。該研究以題為“Continuous crystalline graphene papers with gigapascal strength by intercalation modulated plasticization”的論文發(fā)表在最新一期《Nature Communications》上。
【溶劑插層塑化GO薄膜】
這項研究工作中石墨烯薄膜強度大幅度的提高主要依賴于其內(nèi)部無規(guī)皺紋的消除以及取向度和結(jié)晶度的增加。受到高分子材料在熱或溶劑作用下塑化加工特性的啟發(fā)，作者認為使石墨烯薄膜前驅(qū)體GO片層發(fā)生重排是消除石墨烯薄膜內(nèi)部無規(guī)皺紋以及提高取向的有效方法。
為了實現(xiàn)這一點，作者對宏觀GO膜進行溶劑插層塑化拉伸二次處理——在連續(xù)牽引和拉伸的過程中使宏觀GO薄膜經(jīng)過乙醇溶液池，如圖1所示。進入乙醇溶液池后，原本較硬的宏觀GO薄膜柔順性增加，同時乙醇分子進入GO片層之后可以增加GO片層的層間距(從0.90增加至1.58 nm)。
這種溶劑插層作用會使得GO片層之間相互作用變?nèi)?，在牽引力的作用下GO片層會連接不斷的發(fā)生破壞和重構(gòu)，形成位錯滑移，在提高薄膜塑性的同時，還可以使皺紋變平。測試結(jié)果表明，經(jīng)過溶劑插層塑化拉伸處理的GO膜斷裂伸長率達到了10%，表現(xiàn)出典型的塑性形變特性；而未做任何后處理的GO薄膜斷裂伸長率僅為3%，表現(xiàn)出彈性形變和脆性斷裂特性。
同時，作者也采用了實時POM和SAXS來表征拉升過程中GO膜結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)膜內(nèi)皺紋隨拉升應(yīng)變不斷增加而減少，并且拉伸也會促使GO薄膜在納米尺度上取向程度的增加。
【石墨烯膜宏觀、微觀結(jié)構(gòu)變化】
GO膜經(jīng)過化學(xué)還原得到了最終的石墨烯薄膜，作者對該薄膜的微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)和原子結(jié)構(gòu)進行了分析和表征。在微米結(jié)構(gòu)上，SEM結(jié)果顯示隨著溶劑插層塑化拉伸處理過程中牽引比的增加，石墨烯薄膜表面的無規(guī)皺紋先消失，然后再在沿著拉伸的方向上出現(xiàn)取向型皺紋結(jié)構(gòu)。SAXS和WAXS結(jié)果顯示石墨烯薄膜在納米和原子尺度上也發(fā)生了取向，當(dāng)拉伸過程的牽引比為8%時，Herman有序度從原始的0.85提升至0.93。同時，XRD的結(jié)果顯示經(jīng)過溶劑插層塑化拉伸處理后，石墨烯的結(jié)晶厚度提高了65%，這說明拉伸處理不僅提高了石墨烯薄膜的宏觀、微觀取向度，也可以提高石墨烯的結(jié)晶度，而TEM結(jié)果也這一結(jié)論進行了進一步證明。
【石墨烯薄膜的性能】
首先作者對石墨烯薄膜及復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了表征，結(jié)果顯示石墨烯薄膜內(nèi)部無規(guī)皺紋的消失以及結(jié)晶度和取向度的提升會大幅度增加薄膜的力學(xué)強度。在溶劑插層塑化處理過程中拉伸比為8%時，石墨烯薄膜的模量達到了60.27 GPa(接近鋁合金的模量)，相比于未處理石墨烯薄膜的7.6 GPa，提高了693 %。
經(jīng)過二次處理后的石墨烯薄膜拉伸強度提高至1.1GPa，比強度達到524.32 N m g?1，高于鋁合金和鈦合金的比強度。
隨后，作者將二次處理后的石墨烯薄膜與環(huán)氧樹脂進行復(fù)合制備得到了層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其強度和模量分別達到了634 MPa和25GPa。同時，作者發(fā)現(xiàn)經(jīng)過溶劑插層塑化處理后的石墨烯薄膜的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率也可以得到大幅度的提升，最高分別可以達到109.11 W m-1 K-1和1.09×105 S m-1。
與環(huán)氧復(fù)合后，除了具有優(yōu)異的力學(xué)強度，其優(yōu)異的電導(dǎo)率依然可以得到很好的保持(3.1 × 104 Sm?1.)，在2~18GHz的電磁波頻率下，電磁屏蔽系數(shù)介于30~40 dB之間，因此在未來的航天航空設(shè)備上顯示了巨大的應(yīng)用潛力。
總結(jié)：作者采用溶劑插層塑化拉伸的新方法，對石墨烯片層的宏觀堆積結(jié)構(gòu)和微觀聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進行了重組和優(yōu)化，使最終的石墨烯薄膜力學(xué)強度、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率得到了大幅度的提升。同時，這種方法還可以大規(guī)模、連續(xù)化制備大尺寸石墨烯薄膜材料，因而使得性能優(yōu)異的石墨烯結(jié)構(gòu)材料在未來的工程領(lǐng)域能夠得到實際的應(yīng)用。
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