成果介紹

“超級蒙烯材料”是北京石墨烯研究院（BGI）提出的石墨烯應用的新思路。該思路通過高溫生長過程和巧妙的工藝設計，在傳統(tǒng)材料表面沉積連續(xù)態(tài)石墨烯薄膜。借助高性能石墨烯“蒙皮”，賦予傳統(tǒng)材料全新的功能，讓原子級厚度的石墨烯薄膜搭乘傳統(tǒng)材料載體實現(xiàn)實際應用。超級蒙烯材料是實現(xiàn)CVD石墨烯應用的重要策略，且開拓了先進復合材料的研究思路。

氧化鋁纖維是一種商業(yè)化的工程材料，以其輕質、高強、高柔性和卓越的耐高溫能力（長期使用溫度>1200 °C）而聞名。這些特性使其作為結構增強材料、隔熱材料廣泛應用于國防軍工、航空航天等領域。值得強調的是，氧化鋁纖維優(yōu)異的耐高溫能力使其在經(jīng)歷石墨烯高溫生長過程后仍舊具有很高的力學保留率。因此，氧化鋁纖維是石墨烯CVD生長極佳的襯底選擇。

BGI劉忠范-亓月研究團隊通過CVD法成功實現(xiàn)了石墨烯與氧化鋁纖維的結合，開發(fā)了一類新型復合材料——蒙烯氧化鋁纖維。在蒙烯氧化鋁纖維制備過程中，首次提出了非金屬襯底上石墨烯生長的“vapor-surface-solid”模型，這區(qū)別于傳統(tǒng)非催化性非金屬襯底上的“vapor-solid”模型，反而更類似于催化性金屬襯底上石墨烯所表現(xiàn)出的生長行為。與在無催化能力的石英纖維上的生長行為相比，石墨烯在氧化鋁纖維（γ-Al₂O₃）上的類金屬催化生長使其生長溫度降低了約200 ℃，生長速率提升了超過3倍。制備得到的蒙烯氧化鋁纖維織物具有寬范圍可調的導電性（1-15000 Ω sq^-1）、高拉伸強度（>1.5 GPa）、輕質、柔性的性能優(yōu)勢。這使得蒙烯氧化鋁纖維織物在電加熱、電磁屏蔽等領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力，為石墨烯的實際應用帶來了新的可能性。

在突破蒙烯氧化鋁纖維制備方法的同時，BGI團隊自主研制了針對非金屬織物上石墨烯CVD生長的動態(tài)卷對卷制備系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同型號的蒙烯氧化鋁纖維織物的穩(wěn)定規(guī)模化制備，為該材料的工業(yè)化應用奠定了基礎。

相關研究成果以“Graphene-skinned alumina fiber fabricated through metalloid-catalytic graphene CVD growth on nonmetallic substrate and its mass production”為題，于8月9日發(fā)表在Nature Communications上。

       圖1：蒙烯氧化鋁纖維的制備與表征

       圖2：氧化鋁纖維和石英纖維表面石墨烯CVD生長行為對比

      圖3：氧化鋁纖維（γ-Al₂O₃）表面石墨烯的CVD生長機理與模型

   圖4：蒙烯氧化鋁纖維織物優(yōu)異的力學性能、寬范圍可調的導電性及其在電加熱、電磁屏蔽領域的應用

     圖5：蒙烯氧化鋁纖維織物的穩(wěn)定規(guī)模化制備

BGI研究團隊在“超級蒙烯材料”這一概念的指導下，繼蒙烯玻璃纖維之后，再次推出了蒙烯氧化鋁纖維這一新型復合材料，并首次提出了非金屬襯底表面類金屬催化的石墨烯CVD生長模型。蒙烯氧化鋁纖維集合了優(yōu)異的導電性、極佳的力學性能、輕質、柔性等優(yōu)勢，展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。同時，蒙烯氧化鋁纖維織物的成功規(guī)?；苽錇槠鋸V泛的工程化應用提供了堅實的基礎。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-51118-x