仿贝壳界面增强法实现石墨烯基纤维机械强度与导电性的同步提高

仿贝壳界面增强法实现石墨烯基纤维机械强度与导电性的同步提高

机械强度和电导率是石墨烯基纤维能否在柔性微电子器件领域应用的至关重要的两个参数，为了提高两者的性能，研究人员进行了大量的工作，并取得了一定的进展。然而，如何有效地同步提高石墨烯基纤维的机械强度和电导性仍然是我们面临的一个重大的挑战。


近日，受天然珍珠母多级尺度结构启发，合肥工业大学从怀萍教授和中国科学技术大学俞书宏教授研究团队合作，发展了仿贝壳界面增强法实现了石墨烯基纤维机械强度与导电性的同步提高。该研究成果以“Bio-Inspired Interface Design for Improving the Strengthand Electrical Conductivity of Graphene-Based Fibers”为题发表在《先进材料》（Adv. Mater. 2018, DOI:10.1002/adma.201706435）上，论文的第一作者是博士生马涛和博士后高怀岭。

该研究从提升组装单元表面粗糙度角度出发（增加次级结构），通过原位引入聚多巴胺衍生氮掺杂碳作为阻力增强剂、粘结剂与导电 “桥梁”，获得了多级尺度结构的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿贝壳复合纤维，展现了卓越的拉伸强度（——724 MPa）和导电性（——6.6×104 S m-1），该指标远高于之前文献报道的类似仿贝壳石墨烯基纤维的相关性能。

图2. （a-c） GO@PDA纳米组装单元原子力显微图及相应的纳米颗粒统计图；（d-f） RGO@PDA纤维表面及截面扫描图；（g） RGO@PDA纤维片段软X射线Nano CT图；（h） RGO@PDA纤维切片高分辨图。


通过原子力显微镜观察发现聚多巴胺包覆石墨烯（GO@PDA）纳米组装单元表面散布有丰富的岛状颗粒，这种独特的结构为模拟和构筑类珍珠母多级纤维结构提供了可能。通扫描电镜、软X射线Nano CT表征可以发现由GO@PDA组装成的宏观尺度纤维由轴向取向、紧密堆积的层状单元组成，纤维整体呈均匀的线状。获得的纤维经切片处理后，经高分辨电子显微镜表征可以发现在宏观RGO@PDA纤维内部的组装单元（RGO@PDA）表面依然散布有大量的岛状颗粒，证实了表面粗糙的RGO@PDA独特的次级纳米结构依然可以在纤维中维持。这种多尺度仿生设计显着提高了RGO@PDA纤维机械强度和电导性。

图3. （a-d） 50% RGO@PDA及纯石墨烯纤维力学性能及电导率对比图；（e） 不同多巴胺含量的RGO@PDA纤维电导率变化图；（f） 拉伸强度与电导率综合对比图。


力学性能测试显示，随着退火温度的提升，RGO@PDA和RGO纤维的机械强度和导电性均逐步提升，并且RGO@PDA纤维的机械强度和导电性远高于RGO纤维。优化获得的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿贝壳复合纤维展现了卓越的拉伸强度和导电性。这些优异的综合性能为石墨烯基纤维进一步拓展在柔性、可穿戴微器件（传感器、驱动器、超级电容器、电池等）领域的应用提供了可能。

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