浙江大学高超课题组：具有良好抗脱层性能的二维层状材料

背景介绍

层状材料面内强面外弱的本征特性让单层的剥离成为可能，诞生了多种类的二维材料，如石墨烯、BN等。然而，由单层组装而成的宏观层状材料继承了这个特性，在复杂形变（如弯曲、剪切或冲击）下极易发生脱层失效，极大限制了其实际应用。过去的研究多聚焦于提升层状材料的面内力学性能，通过优化层间堆叠顺序，或通过化学交联增强层间结合强度，忽视了层状材料面外易脱层失效的问题，甚至因过度追求层间密实堆叠而加剧了脱层倾向，限制了宏观材料的现实使用。

成果简介

浙江大学许震长聘副教授，哈尔滨工业大学王超教授，浙江大学高超教授团队揭示了层间能量耗散（而非单纯结合强度）是决定二维层状材料抗脱层性能的核心机制；提出了人工层间缠结增韧（IET）策略，显著提高了氧化石墨烯薄膜的脱层强度（11.8 MPa），接近天然珍珠层（13.3MPa）,并制备了一系列具有良好面外抗脱层性能的二维层状功能材料。相关研究成果以“Superior delamination resistant two-dimensional lamellar materials”为题，发表于《Materials Today》。（https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.02.011）

IET策略通过引入超高分子量聚乙烯醇（uPVA, M_w=1.2×10⁶ Da），利用氢键和机械互锁在氧化石墨烯层间形成强缠结网络，从而增强层间能量耗散能力。强缠结网络在脱层变形中可以通过链段滑移摩擦、解缠结机制耗散大量应变能，在断裂截面上表现出大量微米级韧窝、片层滑移、拔出等塑性耗散结构，有效偏转裂纹并抑制裂纹扩展；AFM力曲线谱证明了uPVA聚合物的引入增强了层间塑性变形的能力，缓解裂纹尖端应力集中，使其临界应力强度因子提高近一倍（2.2 MPa×m^0.5），有效提升本征韧性并抑制裂纹产生；原位探针黏附剥离实验直接观测到脱层过程中塑性耗散结构的产生，进一步证明了uPVA的引入增强了氧化石墨烯层间能量耗散能力，在兼顾面内拉伸强度的同时有效提高了脱层强度。同时，IET策略具有良好的拓展性，制备了还原氧化石墨烯/环氧树脂复合导热结构材料、氮化硼耐磨抗弯导热涂层、蒙脱土隔热膜等其他具有良好面外抗脱层性能的二维层状功能材料。该工作针对二维层状材料易脱层的本征缺陷提供了系统有效的解决策略，有助于全方位平衡二维层状材料的各项性能，推动其宏观材料的实际应用。

图文导读

图1二维组装材料的脱层失效行为

图2 人工层间缠结增韧设计及脱层行为分析

图3 IET策略增韧机理

图4具有不同层间相互作用的二维层状材料面内外强度对比

图5 层间缠结增韧的二维层状复合材料

致谢/作者简介

该工作得到了国家自然科学基金委重大项目、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目、中央高校基本科研业务费专项资金等经费的支持。

浙江大学高分子系博士研究生李楷文为第一作者，浙江大学许震长聘副教授，哈尔滨工业大学王超教授，浙江大学高超教授为共同通讯作者。