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王建鋒教授課題組仿生設計大變形、耐折疊、耐揉搓石墨烯基薄膜

目前,大量文獻報道了多功能石墨烯基薄膜材料,顯示出卓越的功能特性,但石墨烯基薄膜材料應變低、韌性不足,不能承受反複折疊,嚴重制約了其在柔性可彎折電子器件等領域的應用。

針對這一共性難題,湖南大學王建鋒教授課題組運用仿生的手段,創新石墨烯基薄膜材料的結構設計,發明了一種新型技術,制備出大變形、耐折疊、耐揉搓多功能石墨烯基薄膜;其變形達到了35%,斷裂功達到了50 MJ/m3;反複折疊10000次後,各項力學指标不降低;2毫米寬的石墨烯條折疊并用70公斤的壓力壓縮折疊位置後,不影響力學性能;用手掌反複任意揉搓石墨烯薄膜不會破裂。

自然界中,天然貝殼由大量碳酸鈣片和一些聚合物組成,這些聚合物包含了一種高強度的甲殼素納米纖維,最近的研究揭示貝殼生長過程中甲殼素納米纖維形成了相互交織的多孔框架結構。受此啟發,首次提出了以三維聚合物納米纖維框架取代傳統層狀納米複合材料中的聚合物塑料,制備高柔性多功能石墨烯薄膜的理念。實驗上,以溶劑剝離的聚對苯撐苯并二噁唑(PBO)分叉納米纖維和石墨烯粉體為原材料,發明了一種溶膠-凝膠-薄膜轉換技術,制備出石墨烯/PBO納米纖維仿貝殼層狀薄膜,其中石墨烯的重量百分含量為40-70%。這種獨特的制備技術使得PBO納米纖維形成三維互連框架結構,賦予該石墨烯基薄膜前所未有的大變形、耐折疊、耐揉搓性能,遠遠超過目前文獻報道的所有石墨烯基層狀薄膜材料。

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 a)溶膠-凝膠-薄膜轉換方法制備石墨烯基薄膜的過程,b)制備過程示意圖,c)分叉PBO納米纖維,d, e) 石墨烯-PBO納米纖維的結構,f)石墨烯-PBO納米纖維的層狀結構及層間的纖維網絡。

該石墨烯基柔性薄膜材料具有較低的密度和良好的多功能特性,導熱率為130 W m−1 K−1,熱分解溫度為520 ℃,長時間燃燒不起火。這種仿生石墨烯基導熱薄膜可用于柔性電子設備,尤其是在航空航天領域代替金屬作為輕量化散熱材料。

該研究成果發表在《Advanced Functional Materials》(IF=15.621)上,題目為“Unprecedentedly Tough, Folding‐Endurance, and Multifunctional Graphene‐Based Artificial Nacre with Predesigned 3D Nanofiber Network as Matrix”。博士生王雲晶為第一作者,王建鋒教授為通訊作者,湖南大學材料學院為第一單位。

本文來自湖南大學新聞網,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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