石墨烯的斷裂強度為130 GPa，楊氏模量為1.0 TPa。然而，這種顯著的力學效能是在奈米水平上的，在宏觀石墨烯片組裝中尚未實現。這種特性退化的原因是:（1）石墨烯奈米片的褶皺結構和不規整堆積排列；（2）石墨烯層間較弱的介面相互作用，由此產生的不良應力轉移。透過增加石墨烯排列和改善血小板間相互作用來改善石墨烯奈米片陣列的力學效能已成為眾多研究的重點。透過近室溫組裝獲得高強度石墨烯薄片的努力由於石墨烯層的錯位而受阻，這種錯位會降低機械效能。雖然平面內拉伸可以減少這種錯位，但當釋放拉伸時，它會重新出現。

基於此，近日，北京航空航天大學化學學院江雷院士團隊程群峰教授課題組與美國德克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman院士團隊使用共價和π -π相互作用交聯來永久凍結拉伸誘導的石墨烯薄片取向排列，從而將各向同性平面內薄片的強度提高到1.55 GPa（圖1），並結合較高的楊氏模量、電導率和重量標準化遮蔽效率。此外，拉伸橋接石墨烯片具有可擴充套件性，可以很容易地使用商用樹脂粘合在一起，而不會顯著降低效能，這為實際應用奠定了潛力。該研究成果以“High-strength scalable graphene sheets by freezing stretch-induced alignment”為題發表在國際著名期刊Nature Materials上。北航卓百博士後萬思傑博士、陳英博士、房少立教授為第一作者。

圖1. 高效能石墨烯薄膜的製備過程和結構示意圖。

在拉伸誘導的雙軸取向過程中，目前所描述的順序橋接可以產生順序橋接(SB)、雙軸拉伸(BS) rGO片材(簡稱SB-BS-rGO片材)具有較高的面內抗拉強度(1.55 GPa)。圖1a說明了SB-BS-rGO板材的製造過程。生成的SB-BS-rGO板材的結構模型如圖1b所示。研究團隊首先透過離子束切割組裝的還原氧化石墨烯（rGO）薄膜，發現其內部呈現多孔、褶皺結構（圖2a、c），導致石墨烯薄膜的效能較低。其次，雖然單純的外力牽引可以在一定程度上降低石墨烯奈米片的褶皺、提升其規整取向度，但是當外力解除安裝時，誘導取向的結構會發生部分回彈，從而在一定程度上降低了取向度。因此，提出在外力牽引下有序介面交聯，實現“凍結”此結構，進而提升石墨烯薄膜的規整取向度和密實度。

圖2. 石墨烯薄膜取向前（rGO）和取向後（SB-BS-rGO）的結構對比。

研究表明，石墨烯奈米片取向度和堆積密實度的提高，以及較強的層間介面相互作用，構築的石墨烯薄膜（SB-BS-rGO）相比於純rGO薄膜具有更高的力學和電學效能（圖3a、b），其拉伸強度高達1.55 GPa、楊氏模量為64.5 GPa、韌性為35.9 MJ/m3、電導率為1394 S/cm、電磁遮蔽係數為39.0 dB（薄膜厚度2.8 μm），分別是rGO薄膜的3.6、10.6、3.3、1.5和1.5倍。透過共價和π-π介面作用交聯凍結石墨烯排列，獲得面內各向同性石墨烯的抗拉強度為之前所報道的石墨烯複合材料、CNT複合材料、碳纖維織物複合材料的1.47,2.50和1.41倍。同時，該SB-BS-rGO薄膜的比電磁遮蔽效能優於目前文獻報道的大多數實心遮蔽材料（圖3e）。透過改變外力的大小，可以調節該SB-BS-rGO薄膜的取向度，進而最佳化其效能。如圖3f所示，隨著取向度的增加，該SB-BS-rGO薄膜的拉伸強度、楊氏模量和密度逐漸提升，而韌性逐漸降低，這與理論模擬預測結果保持一致。

圖3. rGO和SB-BS-rGO薄膜的力學和電學效能比較。

上述近室溫工藝(低於50°C)或其改進，可用於將廉價開採的石墨轉化為高效能石墨烯複合材料，適用於航空航天和汽車應用，在這些領域，減輕重量尤為重要。目前製備的高強度、高模量、高韌性板材採用簡單的DB鑄造工藝可伸縮。此外，實驗已經證明，4 wt%的商用樹脂或單層厚度的π -π橋接劑提供了有效的層壓，可以製造無限厚的大面積薄片。與機械強度高的替代材料相比，這些材料不需要複合，可以提供非常高的電磁干擾遮蔽效能。此外，獲得的高機械效能和高導電性的組合可能用於各種應用，如為飛機機身提供雷擊保護。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00892-2