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为解决石墨烯烧结难题及高温氧化问题，研究人员以硼纳米颗粒和自蔓延高温合成（SHS）石墨烯为原料，制备硼 - 石墨烯复合材料。该材料展现超高抗弯、抗压强度及出色抗氧化性，为多领域应用提供高性能材料选择。
在材料科学的广阔领域中，高性能碳基材料一直是研究的热点。像 C/C 和 C/SiC 这类高强度且热稳定的碳基材料，在航空航天和军事领域作为热保护系统发挥着关键作用。然而，它们的制备成本高昂，制造过程极为严苛，这无疑限制了其更广泛的应用。此时，石墨烯凭借自身独特的优势，如重量轻、强度卓越，且获取方式多样（像化学气相沉积、机械剥离法等），吸引了众多科研人员的目光，被视作极具潜力的新型材料。但将石墨烯粉末烧结成宏观尺度且高性能的石墨烯基复合材料却困难重重，其高熔点使得直接烧结面临巨大挑战，同时，石墨烯在高温下容易氧化和烧蚀，这一问题严重制约了它在实际中的应用。在这样的背景下，开展关于提高石墨烯基复合材料性能的研究显得尤为迫切。
为了解决这些难题，国内研究人员开展了一项具有创新性的研究。他们以硼纳米颗粒和自蔓延高温合成（Self - Propagating High - Temperature Synthesis，SHS）石墨烯为原料，通过火花等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS）技术制备出了厘米级的石墨烯复合材料。研究发现，该硼 - 石墨烯复合材料展现出了优异的性能，其抗弯强度高达 309 MPa，抗压强度达到 487 MPa，微观尺度的抗压强度更是达到 6.25 GPa，同时还具备出色的抗氧化性能，在 1000°C 氧化后重量损失仅为 0.2%。这一研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为石墨烯基复合材料的发展开辟了新的道路，在众多领域都具有重要的应用价值，有望推动相关产业的技术革新。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是自蔓延高温合成技术，用于制备具有特殊结构的 SHS 石墨烯；其次是火花等离子烧结技术，将硼纳米颗粒和 SHS 石墨烯烧结成复合材料；另外，还利用了扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）等表征技术对材料的微观结构和取向结构进行分析；最后，运用分子动力学模拟（MD）从理论层面探究硼联的强化机制。
研究结果
- 材料微观结构：通过 SEM 和 TEM 观察发现，SHS 石墨烯具有三维结构，其石墨烯层存在大量边缘和丰富的 Y 型结构。在复合材料粉末的微观结构中，弯曲褶皱的石墨烯层包裹着硼纳米颗粒的表面。这一结构特点为后续材料性能的提升奠定了基础，因为丰富的边缘和 Y 型结构有助于抑制石墨烯层间的滑动，增强材料的整体性能。
- 材料性能测试：研究制备的硼 - 石墨烯复合材料展现出优异的力学性能和抗氧化性能。在力学性能方面，其抗弯强度、抗压强度以及微观尺度的抗压强度都达到了较高水平，远超以往报道的多数石墨烯复合材料。在抗氧化性能方面，在 1000°C 的高温下氧化后，材料的重量损失极小，仅为 0.2%，这表明该复合材料能够在高温氧化环境下保持良好的稳定性。
- 强化机制研究：运用分子动力学模拟（MD）对硼联的强化机制进行深入研究。结果表明，B - C 共价键和 Y 型碳结构通过共价键连接石墨烯片层，这种连接方式比传统的界面相互作用更强，有效阻止了石墨烯片层的滑动，从而显著提高了石墨烯基复合材料的力学性能。同时，B4C 纳米颗粒在复合材料中起到了增强剂的作用，进一步提升了材料的整体性能。
研究结论与讨论
本研究成功制备出具有高强度和抗氧化性能的硼 - 石墨烯复合材料，这一成果意义重大。从制备工艺角度来看，硼的添加显著降低了烧结温度，仅需 1600°C，这不仅降低了制备成本，还为大规模生产提供了可能。在材料性能提升方面，B - C 共价键和 Y 型连接结构共同作用，将石墨烯片层相互连接，有效抑制了石墨烯的滑动，B4C 纳米颗粒作为增强剂进一步强化了复合材料的性能。这种高性能的硼 - 石墨烯复合材料具有重量轻、制备简便、成本效益高的优点，在航空航天、军事、电子等众多领域都展现出独特的应用优势。
在未来的研究中，可以进一步优化材料的制备工艺，探索不同硼含量和烧结条件对材料性能的影响，以实现材料性能的进一步提升。同时，还可以拓展该复合材料在其他领域的应用研究，充分挖掘其潜在价值。总之，这项研究为石墨烯基复合材料的发展提供了新的思路和方法，有望推动相关领域的技术进步和产业发展。
