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智能材料新思路:解锁激光诱导石墨烯纸的制备

导语:

近日,机械工程及自动化学院罗斯达教授团队成功利用先进激光诱导石墨烯技术(Laser Induced Graphene, LIG)制备出无基质的大尺寸石墨烯纸,其最新研究成果被著名杂志《Small》(IF: 9.598, Q1)与《Carbon》(IF:7.082,Q1)先后在线刊登。机械工程及自动化学院2017级博士生王亚楠与2016级硕士生王勇分别为文章的(学生)第一作者,罗斯达教授为两篇文章的唯一通讯作者,北京航空航天大学为唯一通讯单位。

石墨烯纸的优势与制备方法

近年来,石墨烯成为科学界研究的热点领域。其中,作为自支撑宏观二维材料的石墨烯纸(Graphene Paper, GP)具有超轻、超薄、高强、高导电导热的特性,在柔性电子、智能结构、储能器件、生物医学等领域具有潜在的应用价值。然而,传统GP的制备主要依赖于液相组装法,其原料昂贵、工艺繁琐、加工效率低,不利于大规模制备与应用。为了解决这一问题,2014年,美国莱斯大学著名化学学家James Tour提出了先进激光诱导石墨烯技术(Laser Induced Graphene, LIG),不仅大幅度降低了生产成本,还使柔性石墨烯器件的制备变得简单高效。然而利用先进LIG技术制备无基质大尺寸石墨烯纸的研究及方法一直未被提出,也一定程度限制了LIG技术与器件的应用。罗斯达教授团队以此为契机,开展了一系列研究,寻找可行性制造方法。

从微小的结果差异中寻求灵感

罗斯达教授团队在一次利用各种高分子薄膜制备LIG应变传感器的系统研究中,偶然发现多孔聚酰亚胺纤维聚合薄膜(PI纸)相较于其它高分子基材可以制备出表面平整度与导电性大幅提升的LIG结构。于是罗教授由此产生灵感,开始指导团队系统探索及验证在大尺度加工条件下,如何整体将PI纸转化为LIG结构,并使之保持高平整度与导电性的同时,具备良好的力学稳定性。

最终,罗斯达教授团队成功利用先进LIG技术制备出了不依赖于基体支撑的大尺寸石墨烯纸。同时研究发现,PI纸具有的特殊多孔层状纤维网络结构,可均匀吸收CO2激光辐照的能量,并大幅度抑制石墨化过程引发的结构变形、应力集中、松质、破损、失焦等加工难题,因此确保了GP材料的连续大尺寸加工。目前制备出的单张GP材料的最大面积为1400cm2,已达到现有实验室级石墨烯纸制备的最大尺寸之一。此外,该GP材料所具备的柔性与韧性保障其可通过激光二次加工实现各种多尺度复杂结构,并可以和树脂、硅胶等先进工业材料进行进一步的一体化融合制造。

图1. 石墨烯纸的先进激光连续制造及多模式形态加工

通过系统的加工结构性能关系探索研究,该先进激光诱导GP材料具备优异的力学、电学、热学、电化学等特性,可用于可穿戴手势识别、机器人动作捕捉、油水分离、抗菌界面以及实现具有阻燃、防/除冰、结构健康监测等功能的先进航空树脂基复合材料结构,未来具有广阔的商业化前景。

 

图2. 激光诱导石墨烯纸的可调控结构、性能及多功能应用

对未来的展望与寄语

对于未来的研究,罗斯达教授团队还将继续在激光诱导石墨烯纸方向上进行探索,在现有研究成果的基础上,深入挖掘这一结合数字化可控制造与前沿纳米材料的先进技术在各领域应用的潜力。同时,团队也将继续深入研究石墨烯纸的高通量连续卷对卷制造,探寻其商业化前景,创造更多的价值。

“在做科研的过程中,计划通常赶不上变化,最初的设想可能和过程中的结果千差万别。但正是这个千差万别的结果,可能又会激发出更新的想法。”在采访的最后,罗斯达教授说道。在进行科研的过程中,每一个看似异常的结果都可能成为一个新的突破点,因此一定要重视每一个结果。此外,罗斯达教授还告诉我们一定要放眼世界,实时跟踪前沿发展现状。一旦有了可借鉴的新想法,就能站在巨人的肩膀上,对未来的研究迭代出更明确的思路。

结语:

罗斯达教授团队提出的低成本大面积制备激光诱导石墨烯纸技术、可为宏观石墨烯材料与结构的大规模制备,以及商业应用带来一定的指导性思路与科学意义。对于未来的研究,罗斯达教授团队还将继续在激光诱导石墨烯纸方向上进行探索,深入挖掘这一结合数字化可控制造与前沿纳米材料的先进技术在各领域应用的潜力。同时,团队也将继续深入研究石墨烯纸的高通量连续卷对卷制造,探寻其商业化前景,创造更多的价值。我们也期待他们能在该领域取得更大的突破和成就。

该研究分别获得国家自然科学基金青年项目、国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金及航空科学基金的支持。

全文链接:https://doi.org/10.1002/smll.201802350

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.07.014

 

策划/文案:沈一凡

采访:沈一凡,熊婷,谭莉莎

设计:王宸彦

编审:门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn