折叠法制备层压石墨烯复合材料，显著提升材料机械性能

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文章亮点：折叠技术是聚合物复合材料中加入大面积单层石墨烯薄膜用于机械增强。与传统的堆叠方法相比，折叠策略导致复合材料的进一步硬化，强化和增韧。本文通过使用水 - 空气界面促进程序，将A5尺寸的400nm薄聚碳酸酯（PC）膜折叠成对应的厚度为约0.4mm的材料（1024层）。大型PC /石墨烯薄膜也通过相同的工艺折叠，产生具有均匀分布的石墨烯的复合材料。使用低体积分数的石墨烯（0.085％），折叠石墨烯复合材料的杨氏模量，强度和韧性模量分别比原始堆叠聚合物薄膜平均提高73.5％，73.2％和59.1％，折叠聚合物薄膜的折射率为40.2％，38.5％和37.3％。证明石墨烯的组合折叠和增强具有显著的机械强化作用。组合的理论和计算分析使结果合理化，也允许量化增强和折叠之间的协同行为。

氧化石墨烯或还原氧化石墨烯因机械性能和原子厚度，可以显著的机械增强和最小的填充体积，已经广泛用作复合材料中的填料。然而，某些情况下，复合材料的性能可能受到氧化石墨烯薄片中的缺陷的限制。因掺入通常具有随机取向，可能限制某些应用的机械强化。然而，单层石墨烯在铜箔上的生长能够提供大面积、连续且高质量的石墨烯膜，可以作为机械增强的新候选者。将大面积且原子级薄的单层CVD生长的石墨烯薄膜结合到复合材料中，同时保留其结构对于优化复合材料力学是必不可少的手段。最近，堆叠方法是将非常低的体积分数的单层石墨烯包含在PC或聚PMMA复合材料中导致弹性模量的显著增加。为了进一步加强复合材料的层压，通过折叠而不是堆叠分离的层来制造宏观复合材料。

通过折叠从2D胶片构建3D材料，纸质折纸提供了一个很好的例子。据报道，A4纸难以折叠（一半）超过8倍，因为进一步折叠所需的能量迅速增加。Gallivan将一张1200米长的纸张折叠了一半12次。 据所知，多次纳米级薄膜的折叠尚未实现。最近，研究人员发明通过使用水的表面来支撑石墨烯实现1倍单层CVD生长的石墨烯的方法；该方法可以很容易地用于折叠其他大而薄的2D薄膜。

近日，石墨烯研究著名学者、韩国蔚山国立科技大学的Rodney S. Ruoff教授课题组（通讯作者）在国际顶级期刊 Advanced Materials上发表 “Folding Large Graphene‐on‐Polymer Films Yields Laminated Compositeswith Enhanced Mechanical Performance”的论文。第一作者为Bin Wang。研究人员将≈400nm厚的A5尺寸（21 cm×15 cm）PC薄膜折叠了一半，产生了一个≈0.4mm厚的块状“梁状”样品，其中1024层，横向尺寸为2.6 cm ×0.11厘米。通过对该过程的简单修改，可以生产石墨烯薄膜覆盖的PC，在折叠时产生PC /石墨烯复合物；然后三点弯曲试验来研究机械性能。与未折叠的对照样品相比，折叠纯PC膜或PC /石墨烯膜导致增强的机械性能。折叠方法可以扩展/应用于其他2D纳米材料，设计和制造具有增强的机械性能的宏观层压复合材料。折叠导致复合材料相对于简单堆叠的对应物的额外硬化，强化和韧化：石墨烯和折叠的协同相互作用导致利用石墨烯增强材料的理想性质。

总之，研究人员使用水基技术将A5尺寸的聚碳酸酯膜折叠一半4次，然后再手动折叠6次，从400nm厚的单层膜到厚度约0.4mm的具有1024层的块状材料。该方法还用于将单层石墨烯薄膜嵌入复合结构中，该复合结构还具有1024层和相似的总厚度，从而形成具有石墨烯的新型复合材料。因此，通过折叠增加了石墨烯增强的贡献，表明来自折叠和石墨烯的协同增强机制，如通过协同因素量化的。本工作中提出的模型可能有助于嵌入多层3D复合材料中的二维材料的设计，可以在大尺寸下实现。通过折叠制成的协同增强的石墨烯增强复合材料能够利用石墨烯的理想特性，在航空航天和汽车工业中大规模应用。此外，通过组合提供特殊功能的各种2D材料，使用折叠来获得用于许多其他潜在应用的宏观材料，包括但不限于能量存储和转换以及热管理。