𝑵𝒂𝒏𝒐 𝑹𝒆𝒔.[催化]│孙晓莉课题组：给 SiC 纤维穿上一层“石墨烯铠甲”——蒙烯 SiC 材料的 CVD 生长与界面调控机制

背景介绍

连续 SiC 纤维增强 SiC 基复合材料具有优异的耐高温性能和力学性能，在航空航天及高温结构领域具有重要应用价值，其纤维/基体界面结构与性能对复合材料的载荷传递及整体力学可靠性具有重要影响。石墨烯作为一种新型二维碳材料，具有优异的力学、热学及化学稳定性，在 SiC 纤维表面构建石墨烯界面层有望改善纤维表面特性，并进一步调控纤维/基体界面结构。然而，石墨烯的生长行为与基底表面性质密切相关，SiC 纤维表面状态、表面化学组成及微观形貌均可能影响碳源的吸附、裂解、迁移、成核及后续生长过程。目前，对于不同表面状态 SiC 纤维上石墨烯生长模式及其界面形貌演变规律仍缺乏系统认识，尤其是表面预处理对石墨烯生长机制的影响尚不明确。因此，揭示 SiC 纤维表面性质与石墨烯生长行为之间的内在联系，对于实现石墨烯界面层的可控制备及优化 SiC 纤维/基体界面性能具有重要意义。本研究采用 CVD 方法分别在未处理和预先形成 SiO₂层的 SiC 纤维表面生长石墨烯，并结合实验表征与第一性原理计算研究其生长行为及作用机制。

成果简介

本工作通过实验与第一性原理计算，系统研究了在未处理SiC与预先烧结SiO₂层的SiC纤维上CVD生长石墨烯的形貌与机理差异。实验表征（SEM/AFM/TEM/EDS/IFFT）显示：在未处理SiC上直接生长时，衬底附近仅形成薄的共形层（平均厚度≈5.6 nm），表面粗糙且易出现大量不规则垂直片层（R_a≈19.6 nm），呈现SK-like演化；而在预先形成的SiO₂层上，早中期可得到更厚、更连续的共形石墨烯层（≈17.3 nm），宏观表面更平整（R_a≈4.50 nm），表现为FM-like（Frank–van der Merwe）逐层堆叠的趋势。IFFT测得的层间距（≈0.348–0.351 nm）进一步证实了所观测层状结构的石墨烯属性。第一性原理计算为上述差异提供了热力学与动力学基础：CH₄在气相的裂解能垒最高，固表面催化明显降低该能垒，且SiC对CH₄的催化裂解能力优于SiO₂，导致SiC表面更易产生原子态C并促进高局域碳浓度与多点成核；另一方面，SiO₂显示较低的表面且C原子迁移能垒更小，有利于碳原子的表面扩散与逐层有序铺展。位点吸附能计算进一步表明，石墨烯边缘、台阶和弯曲区为碳原子的优先捕获位点，易诱导二次成核并触发后期的无序/多层生长。

综上所述，预先在SiC纤维表面烧结SiO₂可通过降低局部裂解速率并增强碳原子的表面迁移来促进更连续、平整的共形石墨烯覆层——这一策略在界面设计上具有直接的工艺可行性与工程意义。但需要注意的是，边缘、台阶与形貌起伏仍可在生长后期诱导局部再成核与无序生长，因此进一步通过调控生长时间、碳通量或结合其它表面修饰手段来抑制后期再成核，有望实现对纤维上石墨烯界面形貌的更精确控制。

图文导读

图1 不同生长路线下，石墨烯在纤维表面的形貌。

预氧化引发表面化学重构，改变了石墨烯在碳化硅纤维上的生长行为。与原始碳化硅纤维相比，经过预氧化处理的二氧化硅/碳化硅纤维更有利于生长出平整、连续的共形包覆石墨烯，抑制了无序垂直石墨烯的生成。

图2 (a) 原始碳化硅纤维上直接生长石墨烯的透射电镜（TEM）图；(b‑d) 分别为图 (a) 中标注的 I、II、III 区域的放大图；(e) 预氧化二氧化硅/碳化硅纤维上石墨烯生长早期的透射电镜图，呈现初始共形层状生长；(f) 生长后期的透射电镜图，随着石墨烯厚度增加，出现褶皱与波纹结构。

TEM 表征显示：原始 SiC 纤维易生成底层薄层石墨烯、上层无序垂直石墨烯；预氧化改性基底可优先获得连续共形石墨烯包覆层。

图3 (a) SiC 表面、SiO₂表面及气相条件下的甲烷分解势垒；(b) 甲烷及其活性碳物种在 SiC 与 SiO₂表面的吸附能和吸附寿命；(c) SiC 表面活性碳物种的相对分布；(d) SiO₂表面活性碳物种的相对分布；(e) SiC (110)、SiO₂ (001) 等常见暴露晶面的表面能；(f) 碳原子在SiC和SiO₂表面的迁移势垒。

结合计算结果可将理论参数与实验现象关联：SiC表面甲烷易分解、活性碳物种浓度高，易局部富碳，多点快速成核，诱发三维垂直生长，对应实验中无序垂直石墨烯；而SiO2层稳定性高、碳原子迁移势垒低，利于碳物种长程扩散，实现有序二维侧向生长，得到平整连续石墨烯。

作者简介

宋雨晴，北京石墨烯研究院新型石墨烯材料研究部部长、课题组长、研究员。中国科学技术大学理学博士，北京大学博士后。主要从事具有新结构、新特性的石墨烯/粉体及纤维复合材料制备技术研究，包括基于流化床化学气相沉积法的石墨烯复合粉体材料可控制备方法、规模化工艺与装备开发，以及石墨烯/粉体复合材料的物性研究。在Nat. Commun., Adv. Mater., Small, ACS Nano等期刊发表学术论文20篇，申请专利15项。主持国家自然科学基金青年基金、面上项目等。

孙晓莉，现任北京石墨烯研究院特聘研究员、北京市副研究员，石墨烯生长理论课题组组长。2019年获电子科技大学博士学位， 2019-2021年清华大学“水木学者”博士后。主要从事低维电极材料和电催化材料、石墨烯CVD生长过程的微观机理研究，以第一作者和通讯作者在Adv. Mater., Adv. Sci., Infomat, Carbon, Nano Research， Nanoscale等期刊发表论文20余篇，主持军委科技委项目1项，北京市科委项目1项。2017年获第一届ECS会议新加坡分场国际会议论文一等奖，2022年获北京石墨烯研究院成玮科技二等奖，2023年获北京石墨烯研究院孵烯科技奖二等奖。（可添加课题组/相关作者介绍；课题组网站链接；招聘信息等）

文章信息

Jing Z, Wang W, Shi J, et al. Regulating graphene growth behavior through surface chemical modification of SiC fibers. Nano Research, 2026, https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908906