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碳纳米管“钢筋”强化石墨烯

(2019-08-14 17:31:57)
标签:

发现

技术

石墨烯

研究

原料

分类: 奇化

严谨的检测表明使用碳纳米管强化石墨烯,可以使其抗撕裂和抗破裂能力增加两倍。


想混凝土中的钢筋一样,嵌入石墨烯中的碳纳米管使石墨烯更加坚韧。


超薄且具导电性能良好的石墨烯显示出了其在柔性电子元件和高能电池电极潜在的应用前景。然而,材料科学家担心这种石墨烯材料的脆性会成为阻碍其实际应用的因素。有新研究表明,碳纳米管或许能够解决这个问题。灵敏的测量和仿真试验表明,在石墨烯中嵌入碳纳米管有助于增强其抗破裂能力。这跟钢筋让混凝土结构更具弹性有着异曲同工之妙(ACS Nano 2018,DOI: 10.1021/acsnano.8b02311)。


石墨烯中的碳-碳单键是自然界中发现的最强韧的碳键之一。美国莱斯大学的纳米力学专家Jun Lou表示:“理论上来说,碳-碳单键应该是非常强韧的”。但是实际上,石墨烯是脆的,非常容易在结构中最细微的裂缝处发生破裂。在2014年,Lou发表了一篇论文(Nat. Comm. 2014 DOI: 10.1038/ncomms4782),明确提出纯石墨烯的断裂韧性仅为4Mpa,这使得石墨烯成为比安全玻璃(一种被设计成一经冲击就会碎裂的玻璃)更脆的材料。而且Lou认为,这将会是诸如柔性电子元件等用途中的一个亟待解决问题。石墨烯材料中发生撕裂可能导致石墨烯器件短路或导致代价高昂的生产问题发生。Lou说:“当你进入真实的商业场景中,可靠性就会是一个问题”。


研究人员持续地随意拉扯一种由经过碳纳米管(深绿色线条)强化的石墨烯(浅绿色)所制成的复合材料。纳米管将石墨烯固定在一起,直到石墨烯材料最终发生断裂为止。该动图为基于电子显微镜图像所进行的软件模拟试验视频。

 

解决这个问题的一种方法是控制石墨烯的晶体结构以消除裂缝,但是这不容易做到。莱斯大学的纳米化学家James M. Tour受到复合建筑材料的启发,另辟蹊径,使用了另一种同样具有良好电学性能的碳纳米材料:碳纳米管。他研发了一种石墨烯-碳纳米管的复合物,他称之为钢筋石墨烯(此名直译)。方法是在铜质表面包裹碳纳米管,运用化学气相沉积法在该表面上生成石墨烯,然后将碳纳米管镶嵌的石墨烯剥离下来(ACS Nano 2014, DOI: 10.1021/nn501132n)。Tour认为这种石墨烯材料就像钢筋混凝土一样富有弹性,随后他联手Lou做了证明这个想法所需的大量的力学测试。


Lou的研究小组在不同的电子显微镜下进行了重复断裂实验,同时使用一个微小的力学装置以相对碳纳米管的不同角度拉扯钢筋石墨烯。单纯的实验方法无法捕捉到石墨烯断裂时所发生的现象——因为发生得太快了。因此,该小组与布朗大学专攻分子模拟方面的研究人员展开合作。通过把许多从实验获得的图像进行拼接并对实验现象进行模拟,研究小组从而完整地观察到了钢筋石墨烯发生撕裂直至得到单个碳纳米管水平时所发生的现象。


Lou表示:“这花了我们数年时间来理解究竟发生了什么。传统的石墨烯中,破裂是无法停止的而且是直线扩散的”。而在钢筋石墨烯中,破裂的移动路径是之字形的。碳纳米管会像桥一样地将石墨烯栓在一起,并将撕裂的两侧拉拽回来,直至应力过高,碳纳米管断裂。钢筋石墨烯的断裂韧性为10.7 MPa,是传统石墨烯的断裂韧性的两倍多。尽管在实际设备中的可靠性仍需得到证明,但是这些基本的材料特性对于那些希望用碳纳米材料制备坚固的电子元件的人来说是个好消息。Tour之前的研究结果表明,钢筋石墨烯比纯石墨烯具有更小的电阻和更优异的透明度。


Lou称,其他具有广阔应用前景的超薄二维电子元件原材料,如二硫化钼,也是易碎的,或许可以用同样的方法进行强化。美国佐治亚理工学院的一名力学工程师,Ting Zhu对该研究中所使用的技巧留下了深刻印象,认为钢筋石墨烯将会有更加广泛的应用前景。他表示:“该研究为研发下一代钢筋石墨烯和其他强力且坚韧的二维复合材料奠定了基础。这些石墨烯材料能被应用于制备柔性电子元件以及能源储备领域”。


原文出自:http://www.keywa.com/lore/page/Industry_information_detaild/1628.html

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