李贺军院士团队：新型石墨烯复合材料，全面提升！

科技 2024-11-26 16:37 河北

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　　近年来，随着航空航天、军事和高端建筑领域对材料性能要求的提升，陶瓷基复合材料（CMC）因其高强度和耐高温等特点受到广泛关注。然而，陶瓷材料的脆性仍是限制其应用的主要瓶颈。解决这一问题的核心在于优化材料的界面结构，使其兼具高强度、高韧性和功能化特性。

　　基于此，西北工业大学李贺军院士团队研究了一种基于边缘富集石墨烯（ERG）与氧化铝（Al₂O₃）协同作用的复合材料，通过强弱界面协同设计，实现了机械性能与微波吸收特性的全面提升。

　　该研究采用化学气相沉积法（CVD）在氧化铝粉末表面原位生长ERG，并将其与氧化铝粉末按不同质量比混合，通过热压烧结工艺制备复合材料。通过控制ERG与氧化铝的配比，研究团队构建了交替分布的强界面（氧化铝-氧化铝界面）与弱界面（氧化铝-石墨烯界面）结构。强界面提供高载荷传递能力，而弱界面通过裂纹引导和能量吸收机制，显著提高了材料的韧性。

　　SEM和TEM表征显示，ERG在氧化铝颗粒表面形成了“核心-壳”结构，其边缘具有较高的活性，可与氧化铝基体形成共价键结合。这种结合方式确保了ERG与基体之间的高效载荷传递，同时通过其三维交联结构增加了材料的抗剪切强度。

　　在机械性能方面，不同配比的复合材料展现出明显的性能差异。当ERG与氧化铝的质量比为5:1时，复合材料的弯曲强度达到333.04 MPa，断裂韧性为12.43 MPa·m¹/²，与传统氧化铝陶瓷相比显著提升。这主要归功于以下两个因素：

　　1. 强界面的载荷传递效应：ERG与氧化铝之间的共价结合增强了界面强度，使载荷能有效传递至石墨烯层。

　　2. 弱界面的裂纹引导效应：在受力过程中，裂纹在弱界面处发生偏转，从而延长了裂纹传播路径，分散了应力并提高了韧性。

　　此外，断裂面分析显示，ERG的三维交联结构在受力过程中表现出良好的抗拉伸和抗撕裂能力，避免了界面剥离现象的发生。

　　随着电磁污染问题的日益严重，具有电磁波吸收能力的功能材料受到广泛关注。该研究发现，通过调整ERG与氧化铝的比例，可显著优化复合材料的微波吸收性能。当ERG与氧化铝的质量比为5:1时，复合材料在X波段（8.2-12.4 GHz）内对入射电磁波的吸收率达到80%以上，有效吸收带宽为3.7 GHz。

　　微波吸收性能的提升归因于以下机制：

　　1. 导电网络的构建与优化：ERG的连续分布形成了导电网络，从而提供了良好的电磁波损耗能力。然而，过高的ERG含量会导致阻抗失配问题，降低材料的吸收效率。因此，适量掺杂氧化铝可有效中断导电网络，优化阻抗匹配。

　　2. 界面极化与偶极子极化：ERG与氧化铝界面处的极化效应在电磁场作用下产生大量能量耗散，进一步增强了微波吸收能力。

　　强弱界面的协同作用不仅体现在机械性能的提升上，还贯穿于材料的微波吸收机制中。ERG作为“弱界面”主要承担韧性提升与电磁波吸收功能，而氧化铝“强界面”则提供高强度载荷传递能力。两者通过合理设计实现了结构与功能的有机结合。

　　此外，研究还表明，ERG的三维交联结构对微波吸收性能的提升起到了关键作用。这种结构既能增强导电网络的稳定性，又能通过“岛状网络”调控导电路径，从而在阻抗匹配与能量损耗之间取得平衡。

　　总之，该研究通过强弱界面协同设计，成功制备了兼具高强度、高韧性和优异微波吸收性能的氧化铝基复合材料。在X波段条件下，这种复合材料以2 mm的匹配厚度实现了80%以上的微波吸收率，并兼具优异的力学性能。

　　未来，随着纳米材料制备技术的进一步发展，类似的强弱界面设计理念有望在更多领域得到应用。例如，在航空航天领域，这种材料可以用作轻量化结构部件；在5G通信与电磁屏蔽技术中，它又具备广阔的应用前景。此外，优化界面结合方式、进一步提高石墨烯分布的均匀性和导电性，将是未来研究的重要方向。

原文：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.11.044

信息来源：Carbontech

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