纳米管，如纳米线和纳米颗粒，比微填料具有更大的比表面积，理论上被预测为理想的增强材料，以实现特殊的联合强度和韧性增强。然而， 纳米复合材料没有实现这一承诺，主要是因为填料和基体之间的不良界面结合。作为自然界中第三种最硬的材料之一，碳化硼（B4C）经常因其出色的物理和机械性能而备受推崇，包括低密度（2.5 g / cm 3），极高的硬度（27.4至37.7 GPa）和高弹性模量（460 GPA）。然而， 当B4C纳米线用作纳米复合材料中的纳米粘结剂时，由于B4C- nws在基体中的分散性差，以及B4C- nws与基体的界面结合较弱，并没有表现出完整的增强效果。因此，工程纳米复合材料界面是实现纳米填料在其复合材料中的全部潜力的关键。

 

　　许多学者已经探索了许多方法来改善纳米填料的分散和填料-基体的界面相互作用。界面工程技术包括小分子表面活性剂，例如硅烷偶联剂的连接和接枝聚合物链，如聚丙烯酰胺和聚苯乙烯。这些表面处理在一定程度上减轻了界面问题。 在这种情况下，我们迫切需要寻找一种新型的界面改性剂，该改性剂可同时实现纳米填料的均匀分散并改善纳米复合材料中的界面键合。石墨烯，由于其特殊的高结晶度和机械实力，激发了广泛的科学兴趣。最近开发的机械剪切混合技术可以低成本大规模生产石墨烯，促进了其实际应用，特别是在聚合物基复合材料中。高比表面积使石墨烯及其衍生物成为一种优秀的界面剂，通过对偶作用、氢键、范德华力、静电作用和化学键合，增强纳米膜与聚合物基质之间的键合。 然而 ，石墨烯界面工程尚未被探索。

 

　　基于此， 美国弗吉尼亚大学机械与航空航天工程系李晓东教授团队报告了一种石墨烯界面工程技术，该技术将B4C-NWs与石墨烯粘合在一起，从而异常地提高了强度和韧性。通过气液固（VLS）工艺获得高密度的B4C-NW 。高质量的石墨烯片材直接由石墨制成，并通过剪切混合同时包裹在B4C-NWs上。如此获得的石墨烯包裹的B4C-NWs在水和环氧树脂中显示出极好的分散性。 0.2vol％B 4C-NWs @graphene增强环氧复合材料在强度（144.2 MPa），弹性模量（3.5 GPa）和断裂应变（15.0％）方面表现出共同的提高。相关研究成果以题“Tailoring nanocomposite interfaces with graphene to achieve high strength and toughness”发表在Science Advances上。论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/42/eaba7016

 

　　通过将石墨粉和B 4 C-NWs的混合物剪切混合直接合成自组装的B 4 C-NWs @石墨烯（图1）。透射电子显微镜（TEM）检查（图2C）显示，石墨已成功剥落成石墨烯，而B 4 C-NWs在剪切混合中保持完整。大多数B4C-NW被石墨烯完全包裹，并且还观察到一些多余的石墨烯已经自组装。

 

　　图1 是B 4 C-NWs @石墨烯的合成工艺步骤的示意图。 图2 通过剪切混合在稀水中合成纳米填料。（A）B 4 C-NWs，（B）多层石墨烯和（C）B 4 C-NWs @ graphene的TEM图像。（D）B 4 C-NWs，石墨烯和B 4 C-NWs @ graphene的悬浮液按时间顺序的数码照片。 图3 B 4 C-NWs @ graphene的表征。（A）TEM图像，（B）XRD图和（C）B 4 C-NWs @ graphene的经背景校正的拉曼光谱。（d）图像HRTEM，（）中相应的FFT，和（F）背景校正拉曼B的光谱4 C-纳米线在乙4 C-纳米线@石墨烯。（G）HRTEM图像，（H）相应的FFT，以及（I）B 4 C-NWs @ graphene中单层石墨烯的经背景校正的拉曼光谱。au，任意单位。 图4 B 4 C-NWs @石墨烯的增强作用。（A）环氧树脂和B 4 C-NWs @石墨烯（0.1、0.2和0.3 vol％）增强复合材料的弯曲应力-应变曲线。（B和C）0.2vol％B 4 C-NWs @石墨烯增强复合材料的断裂表面的扫描电子显微镜图像。（D）B 4 C-NWs @石墨烯复合物，（E）B 4 C-NW复合物和（F）石墨烯复合物的实验测量（散点图）和理论预测的弹性模量值的比较。 图5 B 4 C-NWs @石墨烯复合材料的机械性能。（A和B）比较0.3体积％B 4 C-NWs @石墨烯复合材料与其他典型的纳米填料增强复合材料的力学性能[源自（30 – 44）]。（C）纯环氧和B 4C-NWs @石墨烯增强复合材料的抗弯强度，弹性模量和断裂应变的比较。（D）负载转移效率与密度的关系图表明B 4 C-NWs @石墨烯复合材料具有出色的界面性能 图6 纳米填料相互作用的MD模拟。（A）用于计算相互作用能的初始结构的MD快照（B 4 C-NWs @ graphene / B 4 C-NWs @ graphene）。（B）两种相同类型的纳米填料（石墨烯/石墨烯，B 4 C-NW / B 4 C-NW和B 4 C-NWs @ graphene / B 4C-NWs @ graphene）之间的相互作用能谱。 总之，本文使用石墨烯片材来调整B4C-NW与环氧树脂之间的界面。通过在稀水中剪切混合石墨粉和B 4C-NWs的混合物，直接合成B 4 C-NWs @石墨烯。 如此获得的B 4 C-NWs @石墨烯悬浮液在水和环氧树脂中均显示出均匀的分散性，并提高了从基体到增强材料的负荷转移效率，从而导致了复合材料整体机械性能的改善。这种低成本而有效的技术为改善纳米复合材料界面，提高负载转移效率提供了前所未有的机会，并为开发强韧的纳米复合材料开辟了一条新途径。石墨烯包裹技术可以在诸如药理学和药物输送的医学中找到应用，其中可以将石墨烯包裹在纳米颗粒上以损害外排泵并克服药物抗性。 版权声明 图1 是B 4 C-NWs @石墨烯的合成工艺步骤的示意图。 图2 通过剪切混合在稀水中合成纳米填料。（A）B 4 C-NWs，（B）多层石墨烯和（C）B 4 C-NWs @ graphene的TEM图像。（D）B 4 C-NWs，石墨烯和B 4 C-NWs @ graphene的悬浮液按时间顺序的数码照片。 图3 B 4 C-NWs @ graphene的表征。（A）TEM图像，（B）XRD图和（C）B 4 C-NWs @ graphene的经背景校正的拉曼光谱。（d）图像HRTEM，（）中相应的FFT，和（F）背景校正拉曼B的光谱4 C-纳米线在乙4 C-纳米线@石墨烯。（G）HRTEM图像，（H）相应的FFT，以及（I）B 4 C-NWs @ graphene中单层石墨烯的经背景校正的拉曼光谱。au，任意单位。 图4 B 4 C-NWs @石墨烯的增强作用。（A）环氧树脂和B 4 C-NWs @石墨烯（0.1、0.2和0.3 vol％）增强复合材料的弯曲应力-应变曲线。（B和C）0.2vol％B 4 C-NWs @石墨烯增强复合材料的断裂表面的扫描电子显微镜图像。（D）B 4 C-NWs @石墨烯复合物，（E）B 4 C-NW复合物和（F）石墨烯复合物的实验测量（散点图）和理论预测的弹性模量值的比较。 图5 B 4 C-NWs @石墨烯复合材料的机械性能。（A和B）比较0.3体积％B 4 C-NWs @石墨烯复合材料与其他典型的纳米填料增强复合材料的力学性能[源自（30 – 44）]。（C）纯环氧和B 4C-NWs @石墨烯增强复合材料的抗弯强度，弹性模量和断裂应变的比较。（D）负载转移效率与密度的关系图表明B 4 C-NWs @石墨烯复合材料具有出色的界面性能 图6 纳米填料相互作用的MD模拟。（A）用于计算相互作用能的初始结构的MD快照（B 4 C-NWs @ graphene / B 4 C-NWs @ graphene）。（B）两种相同类型的纳米填料（石墨烯/石墨烯，B 4 C-NW / B 4 C-NW和B 4 C-NWs @ graphene / B 4C-NWs @ graphene）之间的相互作用能谱。 总之，本文使用石墨烯片材来调整B4C-NW与环氧树脂之间的界面。通过在稀水中剪切混合石墨粉和B 4C-NWs的混合物，直接合成B 4 C-NWs @石墨烯。 如此获得的B 4 C-NWs @石墨烯悬浮液在水和环氧树脂中均显示出均匀的分散性，并提高了从基体到增强材料的负荷转移效率，从而导致了复合材料整体机械性能的改善。这种低成本而有效的技术为改善纳米复合材料界面，提高负载转移效率提供了前所未有的机会，并为开发强韧的纳米复合材料开辟了一条新途径。石墨烯包裹技术可以在诸如药理学和药物输送的医学中找到应用，其中可以将石墨烯包裹在纳米颗粒上以损害外排泵并克服药物抗性。 版权声明

 

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