工学院在三维石墨烯超材料研究方面取得重要进展

【来源:土木工程与力学学院 | 发布日期: | 作者: 】     【选择字号:

近日,我院在三维石墨烯超材料研究方面取得重要进展,先后在国际材料工程领域顶级刊物《Advanced Materials》(2015年影响因子18.96,中科院分区一区)发表论文2篇,在美国化学学会旗下材料科学Top期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》(2015年影响因子7.145,中科院分区一区)发表论文一篇。三篇文论题目分别为:“Flyweight, Superelastic, Electrically Conductive and Flaming Retardant 3D Multi-NanolayerGraphene/Ceramic Metamaterial”、“Naturally Dried Graphene Aerogels with Superelasticity and Tunable Poisson's Ratio”、“Flyweight 3D graphene scaffolds with micro-interface barrier derived tunable thermal insulation and flame retardancy”。我校张强强副教授为论文第一作者(其中一篇为共同一作),兰州大学作为其中两篇通讯单位。

石墨烯(Graphene)独特的晶体结构赋予了其优异的力、电、光、热等性能,吸引全球科学家的研究兴趣。如何在大尺度制备石墨烯的宏观构筑体?是目前材料、物理、力学等学科重要的热点领域之一,对于推动石墨烯微纳尺度优异特性在宏观大尺度利用和多功能化发展具有重要的意义。我校青年教师张强强副教授与哈工大李惠教授、普渡大学Tim Fisher 和Gary Cheng教授等人开展合作,并依托西部灾害与环境力学教育部重点实验室在功能材料方向的研究平台,开展了基于仿生机制三维石墨烯超材料自然干燥可控制备、可调控泊松比效应探索、微界面调变超绝热特性,以及超弹性和力学增韧强化的纳米陶瓷/石墨烯复合材料等方面的研究,取得了系列重要研究进展。具体研究成果如下:

(1)仿生启发自然干燥制备技术和可调变泊松比效应。基于生物纤维束微观交联实现结构强化的仿生思想,采用Na2B4O7强化微观骨架初始刚度,C2H8N2调控石墨烯片还原程度优化微观孔隙表面张力,调控石墨烯凝胶骨架初始刚度和溶剂蒸发的毛细应力平衡,实现在常温常压下蒸发样品所含溶剂并保持其体积不收缩、结构不坍塌。首次实现了常温常压条件大尺度制备三维石墨烯材料的自然干燥技术,对于石墨烯材料的低沉本、大尺度、大规模化生产应用具有重要意义。该方法制备得到的气凝胶具有比传统冷冻干燥或者超临界干燥技术所得材料更为优良的性能,如高达99%的可恢复压缩超弹性、可调节泊松比特性、高电导率、稳定压阻效应等。(Adv. Mater., 2016, 28, 9223-9230.)

(2)三维石墨烯基纳米陶瓷复合材料多尺度超弹性效应。基于石墨烯桥接裂纹界面的强化增韧机制和纳米尺度晶粒有效增强弹塑性变形的效应,采用“自下而上”的制备工艺和微观结构可控设计策略,以水热制备三维石墨烯气凝胶为基底模板,以原子层沉积(ALD)技术可控沉积纳米厚度Al2O3纳米陶瓷,微观上形成了“纳米陶瓷-石墨烯-纳米陶瓷”三明治复合夹层纳米结构,实现了80%弹性变形、耐疲劳增韧特性和超过200%力学性能强化,发现了陶瓷复合材料在纳米尺度上的超弹性效应和尺寸效应。这对解决功能陶瓷复合材料固有脆性和低韧性提供了新的思路和方法手段。(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605506.)


 
(3)微界面热阻调控实现超绝热和耐火性能。基于设计石墨烯微观上片层组装界面热阻,控制微观骨架的传热路径,增强声子界面定向散射,实现三维石墨烯超轻材料导热系数的可控调变,得到了超轻密度<2mg/cm3低于空气导热系数的超绝热特性~0.0126 W/(m?K)。以及由于微观石墨烯单元高活化能导致的良好耐火特性和力学稳定性。(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 (16), 14232–14241.)


 
该系列研究丰富了石墨烯材料研究方法,发展了基于微观结构设计优化宏观性能的石墨烯超材料研究策略,使其可广泛应用于柔性驱动器、大应变传感器、柔性电极材料、药物传输、超轻保温及防护、航天航空隔热屏蔽等领域。

成果链接:

1. Flyweight, Superelastic, Electrically Conductive and Flaming Retardant 3D Multi-NanolayerGraphene/Ceramic Metamaterial. Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605506. (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201605506/full
2.Naturally Dried Graphene Aerogels with Superelasticity and Tunable Poisson's Ratio. Adv. Mater., 2016, 28, 9223-9230.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603079/abstract

3. Flyweight 3D graphene scaffolds with micro-interface barrier derived tunable thermal insulation and flame retardancy, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 (16), 14232–14241.
http://pubs.acs.org/doi/ipdf/10.1021/acsami.7b01697