AMR Account | 北京航空航天大学程群峰教授团队：二维碳纳米复合材料中孔隙的发现和消除策略

近日，北京航空航天大学程群峰教授团队的AMR述评文章“Discovery and Elimination Strategies of Voids in Two-Dimensional Carbon Nanocomposites”在线发表。文章系统介绍了发现降低二维碳纳米复合材料力学性能的“孔隙”新现象，提出了一系列消除孔隙的新策略，探讨了致密化二维碳纳米复合材料的相关应用，展望了未来发展前景。

关键词：纳米复合材料、二维碳纳米材料、孔隙、应力传递效率、力学性能

文章内容简介

2023年10月1日，工业和信息化部、科学技术部、财政部、中国民用航空局等四部门联合印发了《绿色航空制造业发展纲要（2023—2035年）》，指出发展绿色航空制造业是应对气候变化、实现航空产业可持续发展的必然要求，其中轻量化材料是绿色航空发展的关键核心技术之一。目前波音787、空客A350、国产C919客机大量使用碳纤维复合材料，实现减重和节能减排；但是制备碳纤维复合材料仍需高温、高压等高能耗和碳排放的工艺。和碳纤维相比，石墨烯和碳化钛（Ti₃C₂T_x MXene）等二维碳纳米材料具有更加优异的力学和电学性能，是未来替代碳纤维实现绿色航空目标的理想材料。采用室温常压策略将二维碳纳米材料组装成性能媲美碳纤维复合材料的纳米复合材料，是实现绿色航空目标的关键。

近年来，研究人员开发了一系列构筑策略，初步解决了二维碳纳米复合材料组装过程中纳米材料分散性差、取向度低、界面相互作用弱等关键科学问题。虽然力学性能得到大幅度提高，但仍远低于二维碳纳米材料的本征力学性能。主要原因是二维碳纳米复合材料存在但被忽视的孔隙，大幅降低了二维碳纳米材料间的应力传递效率。文章首先介绍了以石墨烯和MXene为代表的二维碳纳米材料的物理和化学性能，并介绍了真空辅助抽滤、层层自组装、离心铸造、超铺展等纳米复合材料的制备策略。基于此，文章概述了我们课题组首次发现二维碳纳米复合材料中的孔隙新现象，以及揭示孔隙与力学性能的构效关系。最后，文章系统介绍了我们课题组提出的一系列消除孔隙的策略，例如界面协同作用、填充、外力诱导取向等。采用上述策略制备的二维碳纳米复合材料，孔隙率大幅降低，具有优异的力学和电学性能，在电磁屏蔽、导热、柔性超级电容器和热管理等领域具有广泛的应用前景。最后，文章总结了该领域当前面临的挑战，展望了未来孔隙表征和消除策略，提出了通过调控孔隙的尺寸和分布，创制功能二维碳纳米复合材料的愿景。

AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

航空业碳排放占全球碳排放的2.5%，占所有运输行业碳排放量的12%。开发轻质高强航空材料是实现飞行器轻量化，降低碳排放问题的关键解决方案。为了实现这一目标，商用客机大量使用碳纤维复合材料，例如波音787和空客A350客机碳纤维复合材料的使用量超过了50%，实现减重20%。但是制备碳纤维复合材料仍需高温、高压等高能耗和碳排放的工艺，不利于节能减排。此外，航空航天领域的使用环境对材料提出了更严苛的性能指标（如耐高低温、耐辐射、热冲击等），而碳纤维复合材料很难同时满足这些要求。石墨烯、MXene等二维碳纳米材料具有更加优异的力学和电学性能，同时具有耐高温、抗辐射等性能。因此，开发高性能二维碳纳米复合材料，是实现绿色航空目标的有效途径之一。

AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

虽然现阶段开发了界面协同作用、填充、外力诱导取向等策略，显著消除了二维碳纳米复合材料的孔隙率，力学性能取得了突破进展，但仍存在巨大挑战；同时也是该领域的研究机会。第一，二维碳纳米复合材料孔隙的形成机制尚不清楚。研究人员目前还无法从二维碳纳米复合材料自组装的过程中，彻底消除孔隙。因此，通过表征二维碳纳米复合材料的自组装过程，是解析孔隙形成的关键。第二，亟待开发消除二维碳纳米复合材料孔隙的新策略。尽管通过本文提到的消除孔隙策略非常有效，例如二维碳纳米复合材料的孔隙率降至3.84%，但仍很高。因此亟待开发进一步消除孔隙的策略，从而提高二维碳纳米材料间的应力传递效率，充分发挥二维碳纳米材料优异的本征力学性能，全面超越碳纤维复合材料。第三，调控二维碳纳米复合材料中的孔隙尺寸和分布，创制功能特性。揭示孔隙的形成机制，不仅有利于提高二维碳纳米复合材料的力学性能，也有助于实现二维碳纳米复合材料的功能化。自然界生物材料因其多级次多尺度的独特结构，而具有优异的力学性能，和特殊功能，例如湿度响应、光热响应、以及隔热降噪等。未来通过调控孔隙的尺寸和分布，创制结构功能一体化的二维碳纳米复合材料，具有广阔的应用前景。

AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

材料的结构决定性能，自然生物材料经过数十亿年的演化，已经达到了力学性能和功能的完美统一。例如，鲍鱼壳珍珠层虽然大部分由无机矿物文石片组成，但其精妙的“砖-泥”结构和丰富的界面协同作用，使鲍鱼壳珍珠层具有优异的断裂韧性。近年来，针对仿鲍鱼壳结构的研究工作已经取得了重要进展。这些仿生材料不仅具有优异的力学性能，还具有隔热、抗磨损、抗冲击等功能特性。我们在这个领域的研究初心是向自然学习，获取未来新材料设计的启示和思想源泉，从而开发出更绿色、环保、可持续的新材料，实现节能减排的绿色航空目标。

作者团队简介

李雨宸，北京航空航天大学化学学院2022年博士研究生，师从程群峰教授，主要从事仿生多功能纳米复合材料研究。

程群峰，北京航空航天大学化学学院教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，从事仿生纳米复合材料的研究工作，发现了降低纳米复合材料力学性能的“孔隙”新现象，发展了消除孔隙的新策略，创制了轻质高强纳米复合材料。获青山科技奖、北京市杰出青年中关村奖、茅以升北京青年科技奖、中国化学会青年化学奖等。担任中国复合材料学会纳米复合材料分会常务副主任；Chinese Chemical Letters、Biomaterials Advances、Giant等期刊编委。以通讯作者在Science, Nat. Mater., Nat. Commun., PNAS等期刊发表论文100余篇，引用8000余次，H因子51，授权中国发明专利35项。课题组网站：https://chengresearch.net/

Discovery and Elimination Strategies of Voids in Two-Dimensional Carbon Nanocomposites

Yuchen Li and Qunfeng Cheng*

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00255