仿貝殼界麵增強法實現石墨（mò）烯（xī）基纖維機械強度與導電性的同步（bù）提高
仿貝殼界麵增強法實現石墨烯基纖維機械強度與導電（diàn）性的同步提高
機械強度和電導率（lǜ）是石墨烯基纖維能否在柔性（xìng）微電子器件（jiàn）領域應用的至關重要（yào）的兩個參數，為了提（tí）高兩者的性能，研究人員進行了大量（liàng）的工作，並取得了一定的進展。然而，如何有效地同步提高石墨烯基纖維的機（jī）械強度和電導性仍然是我們麵臨的一個重大（dà）的（de）挑戰。
近日，受天然珍珠母多級尺度結構啟發，合肥工業大學從懷萍教授和中國科學技術大學俞書宏教授研究團隊合作，發展了仿貝（bèi）殼界麵增（zēng）強法實現了（le）石墨烯（xī）基纖維機（jī）械強度與導電性的同（tóng）步提高。該研究成果以（yǐ）“Bio-Inspired Interface Design for Improving the Strengthand Electrical Conductivity of Graphene-Based Fibers”為題發表在《先進材料》（Adv. Mater. 2018, DOI:10.1002/adma.201706435）上，論文（wén）的第（dì）一作者是博（bó）士生馬濤和（hé）博士後高懷（huái）嶺。
該研（yán）究從提升組裝單元（yuán）表麵粗糙度角度出發（fā）（增加（jiā）次級結構），通過原位引入聚多巴胺衍（yǎn）生氮摻雜碳作為（wéi）阻力增強劑、粘結劑與導電 “橋梁”，獲（huò）得了多級尺度結構的聚多巴胺衍生碳/石墨（mò）烯仿貝殼複合纖維，展現了卓越的拉伸強度（——724 MPa）和導電性（xìng）（——6.6×104 S m-1），該指標遠高於之前文獻報道（dào）的類（lèi）似仿貝殼石墨（mò）烯基纖維的（de）相關性能。
圖2. （a-c） GO@PDA納米組裝單元原子力顯微圖（tú）及相應的納米顆粒（lì）統計圖；（d-f） RGO@PDA纖維表麵及（jí）截麵掃描圖；（g） RGO@PDA纖維片段軟X射線Nano CT圖；（h） RGO@PDA纖維切片高分（fèn）辨圖。
通過原子力顯微鏡觀察發現聚多巴胺包覆石墨烯（GO@PDA）納米組裝單（dān）元表麵散（sàn）布有豐富的島狀顆粒，這種獨特的（de）結構為模擬和構築類珍珠母多級纖（xiān）維（wéi）結構提供了可能。通掃描電鏡、軟X射線Nano CT表征可以發現由GO@PDA組裝（zhuāng）成的宏觀尺度纖維由（yóu）軸向取向、緊密堆（duī）積的層狀單元組成，纖維整（zhěng）體呈均（jun1）勻的（de）線狀。獲得的纖維經（jīng）切片（piàn）處理後，經高分辨電子顯微鏡表征可以發現（xiàn）在宏（hóng）觀RGO@PDA纖（xiān）維內部的組裝單元（RGO@PDA）表麵依然散布有（yǒu）大量的島狀（zhuàng）顆粒，證實了表麵粗糙的RGO@PDA獨特的次（cì）級納米結（jié）構依然可以在（zài）纖維中維持。這種（zhǒng）多尺度仿生設計顯著提高了RGO@PDA纖維機械強度和電導（dǎo）性（xìng）。
圖3. （a-d） 50% RGO@PDA及純石（shí）墨烯纖維力學性能及電導率對比圖；（e） 不同多巴胺（àn）含量的RGO@PDA纖維電導率變化（huà）圖；（f） 拉伸強度與電導率綜（zōng）合對比圖。
力學性能測試（shì）顯示，隨著退火（huǒ）溫度的提升，RGO@PDA和RGO纖維的機械強度和導電性均逐步提升（shēng），並且RGO@PDA纖維的機械強度和導電性遠高於RGO纖（xiān）維。優化獲得的聚多巴（bā）胺衍生碳/石墨烯仿貝（bèi）殼複合（hé）纖（xiān）維展現了卓越的拉伸強度和導電性。這些優異的綜合性（xìng）能為石墨烯基纖維進一步拓展在柔性、可穿（chuān）戴微器件（傳（chuán）感器、驅（qū）動器、超級電（diàn）容器、電池等）領域的應用提供（gòng）了可能（néng）。
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