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2019-07-19
目前，大量文献报道了多功能石墨烯基薄膜材料，显示出卓越的功能特性，但石墨烯基薄膜材料应变低、韧性不足，不能承受反复折叠，严重制约了其在柔性可弯折电子器件等领域的应用。
针对这一共性难题，湖南大学王建锋教授课题组运用仿生的手段，创新石墨烯基薄膜材料的结构设计，发明了一种新型技术，制备出大变形、耐折叠、耐揉搓多功能石墨烯基薄膜；其变形达到了35%，断裂功达到了50 MJ/m3；反复折叠10000次后，各项力学指标不降低；2毫米宽的石墨烯条折叠并用70公斤的压力压缩折叠位置后，不影响力学性能；用手掌反复任意揉搓石墨烯薄膜不会破裂。
自然界中，天然贝壳由大量碳酸钙片和一些聚合物组成，这些聚合物包含了一种高强度的甲壳素纳米纤维，最近的研究揭示贝壳生长过程中甲壳素纳米纤维形成了相互交织的多孔框架结构。受此启发，首次提出了以三维聚合物纳米纤维框架取代传统层状纳米复合材料中的聚合物塑料，制备高柔性多功能石墨烯薄膜的理念。实验上，以溶剂剥离的聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）分叉纳米纤维和石墨烯粉体为原材料，发明了一种溶胶-凝胶-薄膜转换技术，制备出石墨烯/PBO纳米纤维仿贝壳层状薄膜（图2），其中石墨烯的重量百分含量为40-70%。这种独特的制备技术使得PBO纳米纤维形成三维互连框架结构，赋予该石墨烯基薄膜前所未有的大变形、耐折叠、耐揉搓性能，远远超过目前文献报道的所有石墨烯基层状薄膜材料。
图1 a）溶胶-凝胶-薄膜转换方法制备石墨烯基薄膜的过程，b）制备过程示意图，c）分叉PBO纳米纤维，d, e) 石墨烯-PBO纳米纤维的结构，f）石墨烯-PBO纳米纤维的层状结构及层间的纤维网络。
该石墨烯基柔性薄膜材料具有较低的密度和良好的多功能特性，导热率为130 W m−1 K−1，热分解温度为520 ℃，长时间燃烧不起火。这种仿生石墨烯基导热薄膜可用于柔性电子设备，尤其是在航空航天领域代替金属作为轻量化散热材料。
该研究成果发表在《Advanced Functional Materials》上，题目为“Unprecedentedly Tough, Folding‐Endurance, and Multifunctional Graphene‐Based Artificial Nacre with Predesigned 3D Nanofiber Network as Matrix”。博士生王云晶为第一作者，王建锋教授为通讯作者。
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