折疊法制備層壓石墨烯復(fù)合材料，顯著提升材料機(jī)械性能
折疊法制備層壓石墨烯復(fù)合材料，顯著提升材料機(jī)械性能
近日，石墨烯研究著名學(xué)者、韓國(guó)蔚山國(guó)立科技大學(xué)的Rodney S. Ruoff教授課題組（通訊作者）在國(guó)際頂級(jí)期刊 Advanced Materials上發(fā)表 “Folding Large GrapheneonPolymer Films Yields Laminated Compositeswith Enhanced Mechanical Performance”的論文。第一作者為Bin Wang。研究人員將≈400nm厚的A5尺寸（21 cm×15 cm）PC薄膜折疊了一半，產(chǎn)生了一個(gè)≈0.4mm厚的塊狀“梁狀”樣品，其中1024層，橫向尺寸為2.6 cm ×0.11厘米。通過(guò)對(duì)該過(guò)程的簡(jiǎn)單修改，可以生產(chǎn)石墨烯薄膜覆蓋的PC，在折疊時(shí)產(chǎn)生PC /石墨烯復(fù)合物；然后三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來(lái)研究機(jī)械性能。與未折疊的對(duì)照樣品相比，折疊純PC膜或PC /石墨烯膜導(dǎo)致增強(qiáng)的機(jī)械性能。折疊方法可以擴(kuò)展/應(yīng)用于其他2D納米材料，設(shè)計(jì)和制造具有增強(qiáng)的機(jī)械性能的宏觀層壓復(fù)合材料。折疊導(dǎo)致復(fù)合材料相對(duì)于簡(jiǎn)單堆疊的對(duì)應(yīng)物的額外硬化，強(qiáng)化和韌化：石墨烯和折疊的協(xié)同相互作用導(dǎo)致利用石墨烯增強(qiáng)材料的理想性質(zhì)。
圖1 A5尺寸≈400nm厚的聚碳酸酯（PC）薄膜的折疊示意圖，強(qiáng)調(diào)了前四個(gè)水輔助折疊步驟，涉及使用自組裝單層（SAM）圖案化基板。
圖2 復(fù)合結(jié)構(gòu)的SEM圖像
a，b）PCG薄膜（S-PCG）的1024個(gè)堆疊層的橫截面，以及折疊10次的F-PCG復(fù)合材料的c，d）橫截面，和e）折疊邊緣（樣品的左側(cè)）在（c））。
圖3 S-PC，S-PCG，F(xiàn)-PC和F-PCG復(fù)合材料的拉曼光譜
a）單層PC和PCG的拉曼光譜。插圖顯示石墨烯在PCG中的G帶位置和PC帶是可區(qū)分的。 b）四個(gè)測(cè)試多層的“平面”區(qū)域的拉曼光譜的比較。 c-f）“平面”區(qū)域（c，d）中D到G帶（ID / IG）的強(qiáng)度比的拉曼圖，以及S-PCG和F-PCG（e，f）的“邊緣”區(qū)域的拉曼圖。
總之，研究人員使用水基技術(shù)將A5尺寸的聚碳酸酯膜折疊一半4次，然后再手動(dòng)折疊6次，從400nm厚的單層膜到厚度約0.4mm的具有1024層的塊狀材料。該方法還用于將單層石墨烯薄膜嵌入復(fù)合結(jié)構(gòu)中，該復(fù)合結(jié)構(gòu)還具有1024層和相似的總厚度，從而形成具有石墨烯的新型復(fù)合材料。因此，通過(guò)折疊增加了石墨烯增強(qiáng)的貢獻(xiàn)，表明來(lái)自折疊和石墨烯的協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制，如通過(guò)協(xié)同因素量化的。本工作中提出的模型可能有助于嵌入多層3D復(fù)合材料中的二維材料的設(shè)計(jì)，可以在大尺寸下實(shí)現(xiàn)。通過(guò)折疊制成的協(xié)同增強(qiáng)的石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料能夠利用石墨烯的理想特性，在航空航天和汽車工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。此外，通過(guò)組合提供特殊功能的各種2D材料，使用折疊來(lái)獲得用于許多其他潛在應(yīng)用的宏觀材料，包括但不限于能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換以及熱管理。
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