共价交链石墨烯气凝胶可控制备与多尺度载荷传递机理

Graphene (a one-atom-thick carbon layer) is the strongest material ever measured, it possesses high tensile modulus of 1 TPa. Additionally, graphene shows ultrahigh tensile strength of 100 GPa, large tensile strain limit of 25% and ultralow density. Therefore, graphene holds great promise for the fabrication of the ultralight structural materials. Currently, a range of ultralow density and superelastic graphene aerogels have been successfully fabricated. They have shown outstanding performance in a wide range of applications, including energy adsorption materials, structural materials, and flexible electronics. Nevertheless, the graphene aerogels often possess low mechanical strength/modulus, and low fatigue life, which can be problematic for their practical applications. This is due to the interlayer interaction between graphene sheets in the aerogels are weak van der Waals force. In this project, we will combine a non-catalysis substrate-based chemical vapor deposition growth and controlled high-temperature graphitization to fabrication graphene aerogels with covalent intersheet interactions. The project will focus on studying the relationship between the fabrication process and the hierarchical structure of the graphene aerogel. Combining the experimental results and theoretical calculation, I will uncover the growth mechanism of covalently bonded graphene sheets and the reinforcing mechanism of this unique structure. The project aims to develop strong, superelastic and long fatigue life graphene aerogel.

单原子层石墨烯是人类迄今发现模量最高的材料，其面内弹性模量可达1 TPa。此外，石墨烯还拥有极高的面内拉伸强度（≥100 GPa），大断裂应变（~25%），以及超低的密度。因此，石墨烯在轻质结构材料方面有巨大潜力。目前，具有高弹性、良好导电性和极低的密度的石墨烯气凝胶（轻质结构材料的一种）已被成功制备。它们在吸能材料、环保材料、柔性器件等方面有重大应用前景。然而，石墨烯气凝胶的力学性能，如强度、模量、抗疲劳性等仍不尽人意。这是因为气凝胶中的石墨烯交联是基于弱范德华力，限制了其宏观力学性能。本项目拟通过结合非催化性模板的气相化学沉积工艺和石墨化工艺，制备具有层间共价键的石墨烯气凝胶宏观体，探索合成工艺参数对石墨烯结构、质量、层间共价键的影响，理解层间共价键合的形成机理；并结合实验数据与理论计算，揭示层间键合作用和石墨烯气凝胶多级结构对其力学性能的影响。

二维材料的宏观组装体的物性与其应用息息相关。项目团队在对石墨烯气凝胶多级结构-力学性能关系有较为深入的理解后，提出了一种基于3D打印模板引导组装的方法，以石墨烯为基本构筑单元，实现了多尺度多级结构的精确制备。该方法结合了3D打印（介观到宏观）和自组装（纳米到微米）的结构控制能力，实现了特征尺寸由纳米至厘米跨越七个数量级的多级结构精确控制（图2）。通过对结构的设计，可赋予三维石墨烯宏观体一系列优异性质。例如，超高模量石墨烯结构（高于其他超轻多孔材料10倍以上）及超弹性等优异力学性能。此外，具有高机械强度及精巧设计的石墨烯结构可实现破纪录的超低密度（低至0.08 mg/cm3,空气密度的1/15）、超高的有机溶剂吸收能力（可吸收高达自身重量2060倍的氯仿）。团队发现了超低密度的石墨烯气凝胶（<1 mg/cm3，相当于空气的密度）具有特异的界面应力应变传递行为。当与硅橡胶接触并拉伸时，极低密度石墨烯气凝胶可有效地实现应力应变传输。利用这一新机制，将超低密度石墨烯气凝胶夹在硅橡胶之间，制备了一种新型超柔软、高延展的超轻石墨烯气凝胶基复合物。利用该复合物的宽频/超低应变力电响应能力，首次实现了柔性肌电应变传感器，用于检测微小、快速的肌肉纤维运动，为骨骼肌的实时健康检测及相关疾病的诊断和预警提供了新的检测技术手段。此外，团队还进一步将课题组发展的3D打印模板引导组装的方法拓展到组装MXene，实现利用不含添加剂的MXene水性油墨制备了3D结构的MXene。制备的3D结构Mxene具有高面电容(7.5 F/cm2)、超高面能量密度(0.375 mWh/cm2).在项目支持下，申请人还发展了二维氮化硼散热膜规模化制备技术，相关专利已300万元价格转移转化。二维氮化硼散热膜被广泛应用与5G通讯行业头部厂商的设备，如小米、oppo，vivo等。