仿貝殼界麵增強法實現石墨烯基纖維機械強度與導電性的同步提高

仿貝殼界麵增強法實現石墨烯基纖維機械強度與(yu) 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(guan) 重要的兩(liang) 個(ge) 參數，為(wei) 了提高兩(liang) 者的性能，研究人員進行了大量的工作，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械強度和電導性仍然是我們(men) 麵臨(lin) 的一個(ge) 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(ye) 大學從(cong) 懷萍教授和中國科學技術大學俞書(shu) 宏教授研究團隊合作，發展了仿貝殼界麵增強法實現了石墨烯基纖維機械強度與(yu) 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(wei) 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後高懷嶺。

該研究從(cong) 提升組裝單元表麵粗糙度角度出發（增加次級結構），通過原位引入聚多巴胺衍生氮摻雜碳作為(wei) 阻力增強劑、粘結劑與(yu) 導電 “橋梁”，獲得了多級尺度結構的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿貝殼複合纖維，展現了卓越的拉伸強度（——724 MPa）和導電性（——6.6×104 S m-1），該指標遠高於(yu) 之前文獻報道的類似仿貝殼石墨烯基纖維的相關(guan) 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纖維表麵及截麵掃描圖；（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）納米組裝單元表麵散布有豐(feng) 富的島狀顆粒，這種獨特的結構為(wei) 模擬和構築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(ti) 呈均勻的線狀。獲得的纖維經切片處理後，經高分辨電子顯微鏡表征可以發現在宏觀RGO@PDA纖維內(nei) 部的組裝單元（RGO@PDA）表麵依然散布有大量的島狀顆粒，證實了表麵粗糙的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(yu) 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，並且RGO@PDA纖維的機械強度和導電性遠高於(yu) RGO纖維。優(you) 化獲得的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿貝殼複合纖維展現了卓越的拉伸強度和導電性。這些優(you) 異的綜合性能為(wei) 石墨烯基纖維進一步拓展在柔性、可穿戴微器件（傳(chuan) 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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