成果介绍

“超级蒙烯材料”是北京石墨烯研究院（BGI）提出的石墨烯应用的新思路。该思路通过高温生长过程和巧妙的工艺设计，在传统材料表面沉积连续态石墨烯薄膜。借助高性能石墨烯“蒙皮”，赋予传统材料全新的功能，让原子级厚度的石墨烯薄膜搭乘传统材料载体实现实际应用。超级蒙烯材料是实现CVD石墨烯应用的重要策略，且开拓了先进复合材料的研究思路。

氧化铝纤维是一种商业化的工程材料，以其轻质、高强、高柔性和卓越的耐高温能力（长期使用温度>1200 °C）而闻名。这些特性使其作为结构增强材料、隔热材料广泛应用于国防军工、航空航天等领域。值得强调的是，氧化铝纤维优异的耐高温能力使其在经历石墨烯高温生长过程后仍旧具有很高的力学保留率。因此，氧化铝纤维是石墨烯CVD生长极佳的衬底选择。

BGI刘忠范-亓月研究团队通过CVD法成功实现了石墨烯与氧化铝纤维的结合，开发了一类新型复合材料——蒙烯氧化铝纤维。在蒙烯氧化铝纤维制备过程中，首次提出了非金属衬底上石墨烯生长的“vapor-surface-solid”模型，这区别于传统非催化性非金属衬底上的“vapor-solid”模型，反而更类似于催化性金属衬底上石墨烯所表现出的生长行为。与在无催化能力的石英纤维上的生长行为相比，石墨烯在氧化铝纤维（γ-Al₂O₃）上的类金属催化生长使其生长温度降低了约200 ℃，生长速率提升了超过3倍。制备得到的蒙烯氧化铝纤维织物具有宽范围可调的导电性（1-15000 Ω sq^-1）、高拉伸强度（>1.5 GPa）、轻质、柔性的性能优势。这使得蒙烯氧化铝纤维织物在电加热、电磁屏蔽等领域展现出了巨大的应用潜力，为石墨烯的实际应用带来了新的可能性。

在突破蒙烯氧化铝纤维制备方法的同时，BGI团队自主研制了针对非金属织物上石墨烯CVD生长的动态卷对卷制备系统，实现了不同型号的蒙烯氧化铝纤维织物的稳定规模化制备，为该材料的工业化应用奠定了基础。

相关研究成果以“Graphene-skinned alumina fiber fabricated through metalloid-catalytic graphene CVD growth on nonmetallic substrate and its mass production”为题，于8月9日发表在Nature Communications上。

       图1：蒙烯氧化铝纤维的制备与表征

       图2：氧化铝纤维和石英纤维表面石墨烯CVD生长行为对比

      图3：氧化铝纤维（γ-Al₂O₃）表面石墨烯的CVD生长机理与模型

   图4：蒙烯氧化铝纤维织物优异的力学性能、宽范围可调的导电性及其在电加热、电磁屏蔽领域的应用

     图5：蒙烯氧化铝纤维织物的稳定规模化制备

BGI研究团队在“超级蒙烯材料”这一概念的指导下，继蒙烯玻璃纤维之后，再次推出了蒙烯氧化铝纤维这一新型复合材料，并首次提出了非金属衬底表面类金属催化的石墨烯CVD生长模型。蒙烯氧化铝纤维集合了优异的导电性、极佳的力学性能、轻质、柔性等优势，展现出了巨大的应用潜力。同时，蒙烯氧化铝纤维织物的成功规模化制备为其广泛的工程化应用提供了坚实的基础。

原文链接：

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