仿貝殼界面增強(qiáng)法實(shí)現(xiàn)石墨烯基纖維機(jī)械強(qiáng)度與導(dǎo)電性的同步提高

仿貝殼界面增強(qiáng)法實(shí)現(xiàn)石墨烯基纖維機(jī)械強(qiáng)度與導(dǎo)電性的同步提高

機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)率是石墨烯基纖維能否在柔性微電子器件領(lǐng)域應(yīng)用的至關(guān)重要的兩個(gè)參數(shù)，為了提高兩者的性能，研究人員進(jìn)行了大量的工作，并取得了一定的進(jìn)展。然而，如何有效地同步提高石墨烯基纖維的機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)性仍然是我們面臨的一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。


近日，受天然珍珠母多級尺度結(jié)構(gòu)啟發(fā)，合肥工業(yè)大學(xué)從懷萍教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授研究團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)展了仿貝殼界面增強(qiáng)法實(shí)現(xiàn)了石墨烯基纖維機(jī)械強(qiáng)度與導(dǎo)電性的同步提高。該研究成果以“Bio-Inspired Interface Design for Improving the Strengthand Electrical Conductivity of Graphene-Based Fibers”為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Adv. Mater. 2018, DOI:10.1002/adma.201706435）上，論文的第一作者是博士生馬濤和博士后高懷嶺。

該研究從提升組裝單元表面粗糙度角度出發(fā)（增加次級結(jié)構(gòu)），通過原位引入聚多巴胺衍生氮摻雜碳作為阻力增強(qiáng)劑、粘結(jié)劑與導(dǎo)電 “橋梁”，獲得了多級尺度結(jié)構(gòu)的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿貝殼復(fù)合纖維，展現(xiàn)了卓越的拉伸強(qiáng)度（——724 MPa）和導(dǎo)電性（——6.6×104 S m-1），該指標(biāo)遠(yuǎn)高于之前文獻(xiàn)報(bào)道的類似仿貝殼石墨烯基纖維的相關(guān)性能。

圖2. （a-c） GO@PDA納米組裝單元原子力顯微圖及相應(yīng)的納米顆粒統(tǒng)計(jì)圖；（d-f） RGO@PDA纖維表面及截面掃描圖；（g） RGO@PDA纖維片段軟X射線Nano CT圖；（h） RGO@PDA纖維切片高分辨圖。


通過原子力顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)聚多巴胺包覆石墨烯（GO@PDA）納米組裝單元表面散布有豐富的島狀顆粒，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為模擬和構(gòu)筑類珍珠母多級纖維結(jié)構(gòu)提供了可能。通掃描電鏡、軟X射線Nano CT表征可以發(fā)現(xiàn)由GO@PDA組裝成的宏觀尺度纖維由軸向取向、緊密堆積的層狀單元組成，纖維整體呈均勻的線狀。獲得的纖維經(jīng)切片處理后，經(jīng)高分辨電子顯微鏡表征可以發(fā)現(xiàn)在宏觀RGO@PDA纖維內(nèi)部的組裝單元（RGO@PDA）表面依然散布有大量的島狀顆粒，證實(shí)了表面粗糙的RGO@PDA獨(dú)特的次級納米結(jié)構(gòu)依然可以在纖維中維持。這種多尺度仿生設(shè)計(jì)顯著提高了RGO@PDA纖維機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)性。

圖3. （a-d） 50% RGO@PDA及純石墨烯纖維力學(xué)性能及電導(dǎo)率對比圖；（e） 不同多巴胺含量的RGO@PDA纖維電導(dǎo)率變化圖；（f） 拉伸強(qiáng)度與電導(dǎo)率綜合對比圖。


力學(xué)性能測試顯示，隨著退火溫度的提升，RGO@PDA和RGO纖維的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性均逐步提升，并且RGO@PDA纖維的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性遠(yuǎn)高于RGO纖維。優(yōu)化獲得的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿貝殼復(fù)合纖維展現(xiàn)了卓越的拉伸強(qiáng)度和導(dǎo)電性。這些優(yōu)異的綜合性能為石墨烯基纖維進(jìn)一步拓展在柔性、可穿戴微器件（傳感器、驅(qū)動器、超級電容器、電池等）領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。

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