研究背景

石墨烯宏观材料的湿法组装会产生大量无规褶皱，极大地降低了石墨烯材料的力学、导电等性能。充分消除无规褶皱是实现石墨烯材料结构功能一体化的关键和难点。2020年，浙江大学高超教授团队发现了氧化石墨烯（GO）材料的插层调制塑化效应，通过溶剂分子插层氧化石墨烯，材料由典型脆性变形转为塑性变形，这为实现石墨烯材料中石墨烯分子重排提供了可行性；采用塑化拉伸策略，有效地消除了石墨烯膜中的无规褶皱，从而制备了高性能的石墨烯膜。为了进一步消除无规褶皱，深入认识石墨烯等二维分子组装材料的塑性行为，实现其材料的更大塑性形变成为可行的研究思路。

为此，浙江大学许震研究员（共同通讯）、高超教授（共同通讯）、及博士后李鹏（共同通讯）通过齐聚物插层的策略，实现了氧化石墨烯膜的超高塑性变形，是此前报道的乙醇插层膜的两倍。相关成果以“Intercalated Oligomer Doubles Plasticity for Strong and Conductive Graphene Papers and Composites”为题发表在《Carbon》上（DOI: 10.1016/j.carbon.2023.03.036）。论文第一作者为浙江大学硕士生沈凯、博士后李鹏。论文得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研专项基金、浙江大学百人计划、浙江省博士后科研项目、山西浙大新材料与化工研究院、功能高分子国际研究中心等相关经费和机构的资助与支持。

工作亮点

（1）首次提出齐聚物插层的策略，在扩大GO层间距的同时，也增强了GO层间的内摩擦，进而增加拉伸过程中的能量耗散，最终显著改善GO膜的塑性，使其断裂伸长率翻番，达到20%。

（2）通过塑化拉伸，充分消除了石墨烯膜中的无规褶皱，增强了石墨烯片的排列取向（f = 0.95，WAXS），得到具有高度取向微褶皱结构、高结晶度的高性能石墨烯薄膜（拉伸强度为1.3 GPa, 杨氏模量为92.9 GPa，电导率为1.05×10⁵ S m^-1）。

（3）以高性能石墨烯膜为单元，制备了兼具高强度（766.7 MPa）与高电磁屏蔽效能（43.9 dB in 2-18 GHz）的石墨烯膜/环氧树脂复合材料。

图文导读

图1 氧化石墨烯膜的塑性变形行为

图1对比了GO膜的三种力学行为差异，揭示了齐聚物插层增强塑性的原理。具体而言， PEG/乙醇的插层均增大了GO片的层间距，从而提高了GO片的运动能力。不同的是，PEG的插层明显增加了GO层间的内摩擦，起到耗散能量的作用。因此，PEG插层GO膜的塑性变形达到了乙醇插层膜的两倍。

                图2 齐聚物插层的调控与原理

图2揭示了随着齐聚物插入量的增加，GO膜塑性行为的变化。从拉伸测试、XRD、DMA等表征看出，当PEG的质量占比为70%时，GOP-i-PEG塑性达到最高，本质原因主要为：（1）合适的层间距使GO片具有充分的运动能力，（2）GO片间强烈的内摩擦，起到能量耗散的作用。

图3 不同塑化拉伸比石墨烯膜的结构变化

图3展示了石墨烯膜的塑化拉伸过程和石墨烯膜的结构演变。可以看到，石墨烯膜表面的褶皱从无规形态转变为高度有序态。借助XRD、WAXS等表征分析了其微观结构变化：塑化拉伸取向提高了石墨烯膜的结晶度，增强了石墨烯片层的排列取向（f = 0.95, WAXS）。

图4 不同塑化拉伸比石墨烯膜的表面褶皱分析

图4分析了石墨烯膜的表面褶皱。充分的拉伸使得薄膜表面的褶皱波长减小，高度降低而数量增加，整体趋于细密化，有利于应力的均匀分布。通过对2D FFT谱图进行方位角积分，发现拉伸15%的石墨烯膜具有更小波长的分形微褶皱，且其小波长的褶皱仍具有较高的取向度。相比之下，拉伸8%的石墨烯膜的小波长褶皱取向度下降明显，这说明更加充分的拉伸可以增加小波长微褶皱的有序性。

图5 石墨烯膜的力学与电学性能

图5展示了塑化拉伸石墨烯膜的力学、电学性能。石墨烯片层的高取向带来石墨烯膜强度、模量和导电率的提高。与其它策略制备的石墨烯膜相比，本工作通过充分塑化拉伸制备的石墨烯膜的力学性能处于较高水平。

图6 石墨烯膜/环氧树脂复合材料

图6展示了以石墨烯膜为单元的层压环氧树脂复合材料，表现出优异的力学与电学性能（766.7 MPa，6.6 ×10⁴ S m^-1）。此外，这一层状结构有利于实现电磁波在石墨烯膜之间的多级反射，从而增加电导损耗，最终获得优异的电磁屏蔽性能（43.9 dB in 2-18 GHz），促进高性能石墨烯宏观材料的实际应用。

原文链接：

2023~沈凯~CRABON~S0008622323001902-main.pdf