仿貝殼界面增強法實現石墨烯基纖維機械強度與導電性的同步提高

仿貝殼界面增強法實現石墨烯基纖維機械強度與導電性的同步提高

機械強度和電導率是石墨烯基纖維能否在柔性微電子器件領域應用的至關重要的兩個參數，為了提高兩者的性能，研究人員進行了大量的工作，并取得了一定的進展。然而，如何有效地同步提高石墨烯基纖維的機械強度和電導性仍然是我們面臨的一個重大的挑戰。


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，發展了仿貝殼界面增強法實現了石墨烯基纖維機械強度與導電性的同步提高。該研究成果以“Bio-Inspired Interface Design for Improving the Strengthand Electrical Conductivity of Graphene-Based Fibers”為題發表在《先進材料》（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（增加次級結構），通過原位引入聚多巴胺衍生氮摻雜碳作為阻力增強劑、粘結劑與導電 “橋梁”，獲得了多級尺度結構的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿貝殼復合纖維，展現了卓越的拉伸強度（——724 MPa）和導電性（——6.6×104 S m-1），該指標遠高于之前文獻報道的類似仿貝殼石墨烯基纖維的相關性能。

圖2. （a-c） GO@PDA納米組裝單元原子力顯微圖及相應的納米顆粒統計圖；（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現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，這種獨特的結構為模擬和構筑類珍珠母多級纖維結構提供了可能。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。獲得的纖維經切片處理后，經高分辨電子顯微鏡表征可以發現在宏觀RGO@PDA纖維內部的組裝單元（RGO@PDA）表面依然散布有大量的島狀顆粒，證實了表面粗糙的RGO@PDA獨特的次級納米結構依然可以在纖維中維持。這種多尺度仿生設計顯著提高了RGO@PDA纖維機械強度和電導性。

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


力學性能測試顯示，隨著退火溫度的提升，RGO@PDA和RGO纖維的機械強度和導電性均逐步提升，并且RGO@PDA纖維的機械強度和導電性遠高于RGO纖維。優化獲得的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿貝殼復合纖維展現了卓越的拉伸強度和導電性。這些優異的綜合性能為石墨烯基纖維進一步拓展在柔性、可穿戴微器件（傳感器、驅動器、超級電容器、電池等）領域的應用提供了可能。

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