在國慶72周年之際

北航又迎來喜訊

我?；瘜W(xué)學(xué)院在《Science》

刊發(fā)最新研究成果

其中一名第一作者

在參與研究時

還是北航本科生

2021年10月1日，《Science》以Report的形式發(fā)表了北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院江雷院士團(tuán)隊(duì)程群峰教授課題組在仿生高分子碳化鈦納米復(fù)合材料的最新研究成果“High-strength scalable MXene films through bridging-induced densification”。

第一作者：萬思杰、李響、陳英

通訊作者：程群峰教授

第一完成單位：北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院

輕質(zhì)高強(qiáng)高分子納米復(fù)合材料是解決航空航天領(lǐng)域小型化、輕量化等瓶頸問題的重要材料，目前航空航天領(lǐng)域廣泛使用碳纖維復(fù)合材料代替金屬材料實(shí)現(xiàn)減重。孔隙是影響碳纖維復(fù)合材料性能的一個至關(guān)重要的因素，往往導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料在服役過程中發(fā)生災(zāi)難性失效，通過改善碳纖維與高分子基體界面浸潤性和制造工藝等策略，降低孔隙率，同時利用無損檢測方法，如Micro-CT和超聲C掃描等，對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行檢測，達(dá)到國標(biāo)和航標(biāo)要求后方可安全使用。

和碳纖維相比，新興的石墨烯、MXene等二維納米材料具有更加優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，是制備輕質(zhì)高強(qiáng)高分子納米復(fù)合材料的理想基元材料。但是在制備過程中也會產(chǎn)生很多孔隙，導(dǎo)致高分子納米復(fù)合材料的性能遠(yuǎn)低于預(yù)期值。由于二維納米材料本征的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于高分子基體，在外力作用過程中使得高分子納米復(fù)合材料的真實(shí)結(jié)構(gòu)被破壞。采用常規(guī)表征方法，例如電子掃描顯微鏡等，得到的是破壞后的結(jié)構(gòu)形貌，掩蓋了高分子納米復(fù)合材料的內(nèi)部真實(shí)結(jié)構(gòu)。而傳統(tǒng)檢測碳纖維復(fù)合材料孔隙率的方法（如micro-CT和超聲C掃描）檢測限很難達(dá)到納米級，因此，高分子納米復(fù)合材料的內(nèi)部真實(shí)結(jié)構(gòu)，尤其是孔隙，常常被忽視。給高分子納米復(fù)合材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究造成了巨大困擾，嚴(yán)重影響了高分子納米復(fù)合材料的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。

程群峰教授課題組長期從事高分子納米復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究工作，在前期工作中，他們使用聚焦離子束（FIB）切割石墨烯復(fù)合材料薄膜斷面，發(fā)現(xiàn)石墨烯復(fù)合材料薄膜內(nèi)存在大量孔隙（Nat. Mater.2021, 20: 624–631），事實(shí)上，這種孔隙缺陷是高分子納米復(fù)合材料存在的共性問題。鑒于此，他們在本工作中系統(tǒng)表征了碳化鈦MXene高分子復(fù)合材料薄膜的三維孔隙結(jié)構(gòu)（圖1A-D），顛覆了高分子二維納米復(fù)合材料的層層緊密堆積結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)知。聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEMT）和納米X射線斷層掃描（nano-CT）結(jié)果表明MXene二維納米片之間存在大量孔隙，孔隙的體積分布大約為2 ×10-5~1.5μm3，孔隙的體積分?jǐn)?shù)約為15.4%（圖1I）。

基于此，他們發(fā)展了一種簡單而有效的氫鍵和共價鍵有序交聯(lián)致密化策略，其中柔性的氫鍵交聯(lián)劑（羧甲基纖維素鈉）可以填充和粘接MXene二維納米片之間的大尺寸孔隙，而共價鍵交聯(lián)劑（硼酸根離子）可以緊密橋聯(lián)MXene二維納米片，以消除小尺寸孔隙。相比于未交聯(lián)的MXene薄膜，有序交聯(lián)的MXene高分子復(fù)合材料薄膜（SBM）具有更少的孔隙和更致密的結(jié)構(gòu)（圖1E-H），其孔隙率降至5.35%（圖1I）。

圖1. 未交聯(lián)的MXene和SBM薄膜的結(jié)構(gòu)對比。（A、E）未交聯(lián)的MXene和SBM薄膜的結(jié)構(gòu)模型，（B、F）FIB切割斷面的SEM照片，（C、G）FIB/SEMT和（D、H）nano-CT三維重構(gòu)的孔隙結(jié)構(gòu)，標(biāo)尺：2 μm；（I）未交聯(lián)的MXene和SBM薄膜的孔隙率。

由于更致密的結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的界面作用，SBM薄膜相比于未交聯(lián)的MXene薄膜具有更高的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和韌性（圖2A），其拉伸強(qiáng)度和韌性分別為583 MPa和15.9MJ/m3，優(yōu)于其他文獻(xiàn)報道的MXene薄膜材料（圖2B），在拉伸斷裂后，該SBM薄膜的斷面呈現(xiàn)明顯的卷曲形貌（圖2C）。此外，相比于未交聯(lián)的MXene薄膜，該SBM薄膜具有更高的耐疲勞、抗氧化、抗應(yīng)力松弛性能，同時，SBM薄膜具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和電磁屏蔽效能。

圖2. 力學(xué)性能和斷口形貌。（A）未交聯(lián)的MXene、單一界面交聯(lián)的MXene以及SBM薄膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（B）SBM薄膜和文獻(xiàn)報道的MXene復(fù)合材料薄膜的拉伸強(qiáng)度、韌性以及電導(dǎo)率對比；（C）未交聯(lián)的MXene、單一界面交聯(lián)的MXene以及SBM薄膜斷口形貌，標(biāo)尺：低倍SEM照片5 μm，高倍SEM照片1 μm；

通過采用刮涂法代替真空抽濾法，他們進(jìn)一步制備了大面積高性能SBM復(fù)合材料薄膜（圖3A-D）。在潮濕空氣中處理10天后，SBM復(fù)合材料薄膜相比于未交聯(lián)的MXene薄膜具有更高的電磁屏蔽效能（圖3E、F），顯示其在可穿戴電子器件方面的巨大應(yīng)用前景。

圖3.刮涂法制備的大面積SBM薄膜的實(shí)物照片（A）和斷面SEM照片（B），標(biāo)尺：5 μm；（C）刮涂法制備的未交聯(lián)MXene和SBM薄膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（D）刮涂法制備SBM薄膜和真空抽濾法制備SBM薄膜的強(qiáng)度、模量、韌性和電導(dǎo)率相對比例；（E）未交聯(lián)MXene和SBM薄膜在潮濕空氣中處理10天后的電磁屏蔽效能對比；（F）未交聯(lián)MXene和SBM薄膜在潮濕空氣中處理10天前后的平均電磁屏蔽系數(shù)對比。

這項(xiàng)開創(chuàng)性研究成果對高分子納米復(fù)合材料研究領(lǐng)域的發(fā)展具有里程碑的意義，其核心是發(fā)現(xiàn)并大幅降低了高分子納米復(fù)合材料中長期被忽視的孔隙缺陷，顛覆了高分子二維納米復(fù)合材料層層緊密堆積結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)知，為其他二維納米片的組裝提供了新的啟示。該工作也為將來從孔隙缺陷角度研究高分子納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的構(gòu)效關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

該工作得到中科院院士江雷教授的指導(dǎo)，北航物理學(xué)院杜軼教授和劉娜娜博士、澳大利亞臥龍崗大學(xué)竇士學(xué)院士、中科院物理所禹習(xí)謙研究員和潘弘毅博士、中科院生物物理所賈星、牛彤欣、馮韻和齊晨博士的大力合作和幫助，部分模擬計算得到北航高性能計算中心的大力支持。研究工作得到國家杰出青年基金（52125302）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金（51522301）、面上項(xiàng)目（22075009，21273017，51103004，21875010，11874003，12074021）、牛頓高級學(xué)者基金（51961130388）、青年基金（52003011）、牛頓高級學(xué)者基金（51961130388，NAFR1191235）、北京市杰出青年基金（JQ19006）、中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃（BX20200038）、中國博士后面上基金（2019M660387）、江門市創(chuàng)新實(shí)踐博士后研究課題、中國科協(xié)優(yōu)秀中外青年交流計劃、北航青年拔尖人才計劃、青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)、北航卓百博士后計劃、生物醫(yī)學(xué)工程高精尖中心、以及111引智計劃（B14009）等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg2026

程群峰課題組網(wǎng)站鏈接：

首頁 – 程群峰課題組

再來了解一下

來自北航的第一作者和通訊作者們

萬思杰

北航卓百博士后

2010~2019在北航化學(xué)學(xué)院先后獲得學(xué)士和博士學(xué)位，師從江雷院士和程群峰教授，目前入職北航卓百博士后，合作導(dǎo)師為程群峰教授。主要從事仿生多功能納米復(fù)合材料研究，以第一作者在Science, Nat. Mater., PNAS, Matter, Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等國際期刊發(fā)表15篇論文，授權(quán)4項(xiàng)中國發(fā)明專利。先后獲得寶鋼優(yōu)秀學(xué)生特等獎、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生、中國復(fù)合材料學(xué)會優(yōu)秀博士學(xué)位論文、中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃和中國科協(xié)優(yōu)秀中外青年交流計劃等榮譽(yù)。

李響

北航化學(xué)學(xué)院本科生

2021.6本科畢業(yè)于北航化學(xué)學(xué)院，導(dǎo)師為程群峰教授，目前在中國科學(xué)院大學(xué)理化技術(shù)研究所攻讀碩士研究生，導(dǎo)師為江雷院士。自大一學(xué)年開始，依托北航致真書院學(xué)業(yè)導(dǎo)師計劃進(jìn)入程群峰教授課題組開展科研工作，主要從事仿生高性能碳化鈦納米復(fù)合材料薄膜的制備及性能研究，以第一作者身份在國際期刊Science和PNAS上發(fā)表2篇論文。獲得北京市優(yōu)秀畢業(yè)生、北京市優(yōu)秀畢業(yè)論文、第十一屆首都挑戰(zhàn)杯大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽能源化工組一等獎、校級三好學(xué)生、北航創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)獎學(xué)金、北航社會工作優(yōu)秀獎學(xué)金、北航學(xué)習(xí)優(yōu)秀獎學(xué)金、化學(xué)學(xué)院院長特別獎，化學(xué)學(xué)院學(xué)生十杰等榮譽(yù)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人完成第十三屆全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目，結(jié)題優(yōu)秀。

程群峰

北航化學(xué)學(xué)院教授

北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。主要從事高分子納米復(fù)合材料的研究工作，針對高分子納米復(fù)合材料存在的孔隙問題，提出了降低孔隙率、提高力學(xué)性能的普適性策略，制備了一系列輕質(zhì)高強(qiáng)納米復(fù)合材料。先后獲得國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、牛頓高級學(xué)者基金和北京市杰出青年基金等人才項(xiàng)目的資助，獲中國復(fù)合材料學(xué)會青年科學(xué)家獎、中國化學(xué)會青年化學(xué)獎，入選教育部青年長江學(xué)者。在Science, Nat. Mater., Nat. Commun., PNAS, Angew. Chem., Int. Ed., Adv. Mater.等期刊發(fā)表論文86篇，引用4300余次，H因子35，授權(quán)中國發(fā)明專利23項(xiàng)，部分研究成果被Nature選為研究亮點(diǎn)報道、人民日報頭版報道。

挑大梁、當(dāng)主角

北航青年科技人才隊(duì)伍

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來源：北京航空航天大學(xué)