針對(duì)金屬基復(fù)合材料中強(qiáng)度-塑韌性-導(dǎo)電性失配這一關(guān)鍵共性問題，上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張荻教授團(tuán)隊(duì)受自然生物材料啟發(fā)，提出了仿生復(fù)合的學(xué)術(shù)思想，設(shè)計(jì)制備了具有仿貝殼珍珠層“微納磚砌結(jié)構(gòu)”的石墨烯/銅基復(fù)合材料，并建立了仿生復(fù)合技術(shù)原型。通過對(duì)仿生復(fù)合構(gòu)型的形成與演變規(guī)律、復(fù)合界面相容性設(shè)計(jì)與調(diào)控、復(fù)合構(gòu)型/界面與性能耦合響應(yīng)機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，制備得到了具有強(qiáng)度-塑韌性-導(dǎo)電性均衡匹配的仿生石墨烯/銅基復(fù)合材料^[1]。相關(guān)工作（Carbon, 2017, 117, 65-74）發(fā)表后，引起了廣泛關(guān)注。美國(guó)麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系系主任Markus J. Buehler教授和密西根大學(xué)材料科學(xué)與工程系系主任Amit Misra教授在美國(guó)材料學(xué)研究會(huì)會(huì)刊（MRS Bulletin, 2019, 44: 19-24）上發(fā)表的綜述中引用說道：“與未增強(qiáng)的銅基體相比，具有仿貝殼納米疊層結(jié)構(gòu)和改進(jìn)界面結(jié)合的2.5 vol.%石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和彈性模量分別提高了約177%和25%，并保持銅的延展性和導(dǎo)電性?！?/p>

圖1. 高強(qiáng)韌高導(dǎo)電石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)思想。

圖2、(a-c)自然貝殼珍珠層“磚砌結(jié)構(gòu)”；(d-i)仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)石墨烯/銅基復(fù)合材料。

圖3. 仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)石墨烯/銅基復(fù)合材料的均衡力學(xué)和導(dǎo)電性能。

在此研究基礎(chǔ)上，張荻教授團(tuán)隊(duì)深入開展復(fù)合界面設(shè)計(jì)研究，制備了超高導(dǎo)電石墨烯/銅復(fù)合界面及其復(fù)合材料。通過對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)參數(shù)、金屬基體微結(jié)構(gòu)、石墨烯/基體位相關(guān)系等參數(shù)的定向調(diào)控，使得石墨烯/銅基復(fù)合材料的電導(dǎo)率較銅和銀分別提高約17%和10%的。國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)（International Copper Association）認(rèn)定該電導(dǎo)率是迄今為止金屬材料室溫電導(dǎo)率的最高值。進(jìn)一步對(duì)復(fù)合材料/復(fù)合界面的宏觀/微觀導(dǎo)電性能分析，并結(jié)合第一性原理計(jì)算，初步揭示了其超高導(dǎo)電機(jī)制。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表于Advanced Functional Materials。

本研究的成果為制備高強(qiáng)高導(dǎo)金屬基復(fù)合材料提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)用途徑，也為石墨烯中的電子行為研究提供了新平臺(tái)，為開辟其不可替代性應(yīng)用提供了新機(jī)遇。人民網(wǎng)等主流媒體也展望了該類材料所具有的巨大應(yīng)用價(jià)值，如在工業(yè)電機(jī)或電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用大大降低碳排放、節(jié)省燃油消耗，以及縮小所有電器設(shè)備，包括線纜、電機(jī)、變壓器、汽車線束、線路板等的尺寸。

圖4. 超高導(dǎo)電石墨烯-銅復(fù)合材料與界面的(a-g)制備與(h,i)微觀導(dǎo)電性能分析。

相關(guān)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB0406200)和國(guó)家自然科學(xué)基金委 (51771110, 51371115)等項(xiàng)目的大力支持。

Ultrahigh Electrical Conductivity of Graphene Embedded in Metals

Mu Cao, Ding-Bang Xiong, Li Yang, Shuaishuai Li, Yiqun Xie, Qiang Guo, Zhiqiang Li, Horst Adams, Jiajun Gu, Tongxiang Fan, Xiaohui Zhang, Di Zhang

Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1806792, DOI: 10.1002/adfm.2

參考文獻(xiàn)：

1. Mu Cao, Ding-Bang Xiong, ZhanqiuTan, Gang Ji, Behnam Amin-Ahmadi, Qiang Guo, Genlian Fan, Cuiping Guo, Zhiqiang Li, Di Zhang, Aligning graphene in bulk copper: Nacre-inspired nanolaminated architecture coupled with in-situ processing for enhanced mechanical properties and high electrical conductivity, Carbon, 2017, 117, 65-74.

本文來自X-MOL，本文觀點(diǎn)不代表利特納米立場(chǎng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。

近日消息，曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家們將石墨烯和天然纖維黃麻結(jié)合在一起，創(chuàng)造了世界上第一個(gè)石墨烯增強(qiáng)天然黃麻纖維復(fù)合材料。該研究成果是制造高性能和環(huán)保的天然纖維復(fù)合材料的一大突破，石墨烯黃麻復(fù)合材料可以替代主要制造領(lǐng)域的合成材料，例如汽車工業(yè)，造船業(yè)，耐用風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和低成本住房。

曼徹斯特大學(xué)的研究人員聲稱，它還可以促進(jìn)孟加拉國(guó)，印度和中國(guó)這些主要生產(chǎn)黃麻材料的國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

曼徹斯特大學(xué)是英國(guó)國(guó)家石墨烯研究所和石墨烯工程創(chuàng)新中心的所在地，該中心提供了無可比擬的石墨烯專業(yè)知識(shí)。這兩家工廠顯示了曼徹斯特在石墨烯研究和商業(yè)化方面作為全球領(lǐng)先知識(shí)庫的地位。

黃麻是從白色黃麻植物（Corchorus capsularis）的樹皮中提取的，是一種100％可生物降解，可回收和環(huán)保的天然纖維。 它也是世界上生產(chǎn)的第二大天然纖維 – 僅次于棉花 – 并且比亞麻和其他類似的天然纖維便宜至少50％。

石墨烯-黃麻復(fù)合纖維材料對(duì)尋求更便宜，更環(huán)保的替代合成復(fù)合材料的領(lǐng)域極具吸引力。這就是為什么天然纖維復(fù)合材料正引起人們極大的興趣，因?yàn)樗锌赡芡ㄟ^取代玻璃纖維等綜合生產(chǎn)材料來減少碳排放，因?yàn)椴ＡЮw維的成本更高，可能對(duì)環(huán)境有害。

石墨烯-黃麻復(fù)合纖維材料輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)和碳纖維及玻璃纖維類似，但是成本比碳纖維低很多，有望取代一些碳纖維現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域。

天然纖維復(fù)合材料非常環(huán)保，但它們的機(jī)械和界面性能較差，這意味著對(duì)某些工業(yè)應(yīng)用來說不夠強(qiáng)大。這就是為什么曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究所（NGI）和紡織復(fù)合材料集團(tuán)的研究人員一直致力于合作項(xiàng)目，并用氧化石墨烯和石墨烯涂覆黃麻纖維以提高其強(qiáng)度。

結(jié)果表明，添加石墨烯涂層的黃麻纖維界面剪切強(qiáng)度提高了200%左右，彎曲強(qiáng)度比未處理纖維提高了近100%。

國(guó)家石墨烯研究所(National Graphene Institute)研究員納茲穆爾·卡里姆(Nazmul Karim)博士表示：“我們?cè)谥Z沃肖洛夫教授的團(tuán)隊(duì)中，多年來一直在研究石墨烯和其他基于2D材料的天然纖維?！睂⑦@一經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為開發(fā)高性能天然纖維復(fù)合材料是非常重要的。

黃麻曾被稱為孟加拉國(guó)的黃金纖維，在80年代引入聚乙烯和塑料等合成材料后失去了人們的青睞。然而，隨著塑料制品對(duì)環(huán)境污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)不斷增大，黃麻等天然纖維的使用再次增加。

此外，全球汽車行業(yè)在汽車內(nèi)飾中使用黃麻的量也在迅速增長(zhǎng)，目前每年需要約10萬噸?；谑┑狞S麻復(fù)合纖維可以在滿足各種行業(yè)對(duì)環(huán)保產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的需求方面發(fā)揮非常重要的作用。

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四川大學(xué)依托國(guó)家級(jí)高分子材料與工程國(guó)際聯(lián)合研究中心平臺(tái)，與意大利研究機(jī)構(gòu)在石墨烯復(fù)合材料研究方面建立國(guó)際合作項(xiàng)目，針對(duì)石墨烯在聚合物基體中難以分散、聚合物石墨烯復(fù)合材料難以規(guī)?；苽涞燃夹g(shù)難題，建立聚合物/石墨烯復(fù)合材料制備和加工新技術(shù)，提出了超聲剝離、膠乳混合及原位還原新方法，制備了含均勻分散石墨烯和石墨烯隔離網(wǎng)絡(luò)的橡膠納米復(fù)合材料，開發(fā)了石墨烯用于橡膠復(fù)合材料的應(yīng)用潛力。

該技術(shù)制備的石墨烯橡膠復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，且具有高的電導(dǎo)率和氣體阻隔性，可廣泛應(yīng)用于高品質(zhì)輪胎、特殊密封圈，高性能減震器，橡塑復(fù)合材料等。

該項(xiàng)目已獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利1項(xiàng)，并與成都創(chuàng)威新材料有限公司在聚合物/石墨烯復(fù)合材料制備新技術(shù)方面簽訂了專利實(shí)施許可及轉(zhuǎn)讓協(xié)議，可望將石墨烯-橡膠復(fù)合材料技術(shù)產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

碳纖維（carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國(guó)防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。

碳纖維具有許多優(yōu)良性能，軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好等。

近年，在國(guó)家政策扶持下，我國(guó)碳纖維行業(yè)在關(guān)鍵技術(shù)、裝備、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及下游應(yīng)用等方面均取得重大進(jìn)展，千噸級(jí)工業(yè)化裝置陸續(xù)建成并投產(chǎn)，初步建立了從原絲、碳纖維到復(fù)合材料及制品全產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)了從無到有的轉(zhuǎn)變。隨著我國(guó)工業(yè)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)碳纖維年消費(fèi)量不斷攀升。2008年，我國(guó)碳纖維需求量為2995.1噸。2010年達(dá)到4240.6噸，同比增長(zhǎng)17.4%。2012年我國(guó)碳纖維需求量為6000噸，同比增長(zhǎng)18.6%。

二、碳纖維復(fù)合材料

《中國(guó)碳纖維市場(chǎng)發(fā)展研究及投資前景報(bào)告》顯示，高性能碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)我國(guó)能源、資源、環(huán)境、制造、交通等國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)對(duì)高性能結(jié)構(gòu)材料的迫切需求，研制出滿足航空航天、高速軌道交通、大型風(fēng)力發(fā)電裝備等所需的碳纖維復(fù)合材料，不僅將為我國(guó)重大工程建設(shè)和重大裝備制造提供技術(shù)保障，而且將為我國(guó)從材料大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠌?qiáng)國(guó)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1、碳纖維車架

碳纖維自行車主要是中高檔的競(jìng)賽用自行車，作為新興材料，碳纖維主要應(yīng)用于車架（碳架）、前叉、輪組（碳刀車圈）等。

碳纖維車架具有三個(gè)明顯的特征：（1）重量輕，碳纖維車架是把碳纖維對(duì)著發(fā)生應(yīng)力的方向?qū)訉盈B而得到強(qiáng)度。碳纖維車架非常輕，是由低的密度和強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度構(gòu)成；（2）沖擊吸收性好，碳纖維用來制作殘疾者運(yùn)動(dòng)時(shí)用的假腿，或者特殊的彈簧等被用在各領(lǐng)域。利用它的吸收沖擊力優(yōu)異的性能，制作不用避震器的自行車；（3）可塑性強(qiáng)，制造各種形狀的車架。

2、碳纖維飛機(jī)

碳纖維復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用被特別看好，目前新增產(chǎn)能均以滿足航空需要的高性能碳纖維及復(fù)合材料為主，未來5～10年內(nèi)碳纖維復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用也將高速成倍增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008～2010年世界航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料的總需求為2.4萬噸，預(yù)測(cè)2018年碳纖維復(fù)合材料的需求將達(dá)到2萬噸。隨著我國(guó)軍用飛機(jī)、支線飛機(jī)ARJ21及大型商用客機(jī)C919項(xiàng)目的開展和我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料的用量將會(huì)不斷增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)航空運(yùn)輸市場(chǎng)的快速發(fā)展將對(duì)民用飛機(jī)產(chǎn)生巨大需求，預(yù)計(jì)到2023年，中國(guó)客貨運(yùn)輸飛機(jī)擁有量將達(dá)到2769架。飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展將需要很多高性能的碳纖維增強(qiáng)飛機(jī)蒙皮鋁合金材料。面對(duì)國(guó)內(nèi)和國(guó)際兩個(gè)市場(chǎng)，將發(fā)展形成巨大的產(chǎn)業(yè)。