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折叠法制备层压石墨烯复合材料,显著提升材料机械性能

作者:管理员

近日,石墨烯研究著名学者、韩国蔚山国立科技大学的Rodney S. Ruoff教授课题组(通讯作者)在国际顶级期刊 Advanced Materials上发表 “Folding Large GrapheneonPolymer Films Yields Laminated Compositeswith Enhanced Mechanical Performance”的论文。第一作者为Bin Wang。研究人员将≈400nm厚的A5尺寸(21 cm×15 cmPC薄膜折叠了一半,产生了一个≈0.4mm厚的块状梁状样品,其中1024层,横向尺寸为2.6 cm ×0.11厘米。通过对该过程的简单修改,可以生产石墨烯薄膜覆盖的PC,在折叠时产生PC /石墨烯复合物;然后三点弯曲试验来研究机械性能。与未折叠的对照样品相比,折叠纯PC膜或PC /石墨烯膜导致增强的机械性能。折叠方法可以扩展/应用于其他2D纳米材料,设计和制造具有增强的机械性能的宏观层压复合材料。折叠导致复合材料相对于简单堆叠的对应物的额外硬化,强化和韧化:石墨烯和折叠的协同相互作用导致利用石墨烯增强材料的理想性质。

图1 A5尺寸≈400nm厚的聚碳酸酯(PC)薄膜的折叠示意图,强调了前四个水辅助折叠步骤,涉及使用自组装单层(SAM)图案化基板。

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图2 复合结构的SEM图像

abPCG薄膜(S-PCG)的1024个堆叠层的横截面,以及折叠10次的F-PCG复合材料的cd)横截面,和e)折叠边缘(样品的左侧)在(c))。

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图3 S-PCS-PCGF-PCF-PCG复合材料的拉曼光谱

a)单层PCPCG的拉曼光谱。插图显示石墨烯在PCG中的G带位置和PC带是可区分的。 b)四个测试多层的平面区域的拉曼光谱的比较。 c-f平面区域(cd)中DG带(ID / IG)的强度比的拉曼图,以及S-PCGF-PCGef)的边缘区域的拉曼图。

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图4 S-PCF-PC样品上进行有限元三点弯曲模拟,n = 164倍),325倍)和646倍),旨在区分折叠对多层弯曲的机械作用属性。

a)将样品的弯曲行为与试样内的von Mises应力的等高线图进行视觉比较(单位:MPa)。 b)弯曲刚度Dnαnα(在1mm偏转处为正割)的数值缩放,从中确定理论幂律比例依赖性并且可以提取ααf功率指数。 c)特定变形能量Tn的缩放。

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图5 在动态力学分析(DMA)设备上使用三点弯曲对复合材料进行机械测试

a)在不同复合材料(包括S-PCS-PCGF-PCF-PCG)的负载下的典型应力 - 应变响应。 b-d)在环境条件下测量的不同复合材料的断裂强度(b),杨氏模量(c)和韧性模量(d)的统计值。

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总之,研究人员使用水基技术将A5尺寸的聚碳酸酯膜折叠一半4次,然后再手动折叠6次,从400nm厚的单层膜到厚度约0.4mm的具有1024层的块状材料。该方法还用于将单层石墨烯薄膜嵌入复合结构中,该复合结构还具有1024层和相似的总厚度,从而形成具有石墨烯的新型复合材料。因此,通过折叠增加了石墨烯增强的贡献,表明来自折叠和石墨烯的协同增强机制,如通过协同因素量化的。本工作中提出的模型可能有助于嵌入多层3D复合材料中的二维材料的设计,可以在大尺寸下实现。通过折叠制成的协同增强的石墨烯增强复合材料能够利用石墨烯的理想特性,在航空航天和汽车工业中大规模应用。此外,通过组合提供特殊功能的各种2D材料,使用折叠来获得用于许多其他潜在应用的宏观材料,包括但不限于能量存储和转换以及热管理。

                                                         (来源-高分子科学前沿