理工學(xué)院鄭慶彬教授團(tuán)隊(duì)在A(yíng)dvanced Functional Materials上發(fā)表文章
近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院的鄭慶彬教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合天津大學(xué)的封偉教授團(tuán)隊(duì)在 Advanced Functional Materials 發(fā)表題為“3D Interconnected Conductive Graphite Nanoplatelet Welded Carbon Nanotube Networks for Stretchable Conductors”的文章。
點(diǎn)擊圖片，閱讀全文
1. Advanced Functional Materials 介紹
Advanced Functional Materials是材料科學(xué)國(guó)際頂級(jí)期刊，以發(fā)表材料科學(xué)各個(gè)方面的突破性研究為主，包括納米技術(shù)、化學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)。期刊以其快速公平的同行評(píng)審、優(yōu)質(zhì)內(nèi)容和高影響力而著稱(chēng)，使其成為國(guó)際材料科學(xué)界的首選。Advanced Functional Materials 的 2021 年影響因子為 18.808，JCR分區(qū)Q1。
2. 研究背景
在不同機(jī)械變形下具有穩(wěn)定導(dǎo)電性的可拉伸導(dǎo)體對(duì)于下一代便攜式和柔性電子產(chǎn)品（包括可穿戴顯示器、可變形天線(xiàn)、軟機(jī)器人、柔性電池、可拉伸電容器和電子皮膚等）的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。目前，制備柔性可拉伸導(dǎo)體主要有兩種策略，一是制備柔性的導(dǎo)電聚合物，二是將導(dǎo)電填料加入彈性體中制備導(dǎo)電復(fù)合材料。由于導(dǎo)電聚合物存在成本高、穩(wěn)定性差和拉伸性有限等缺點(diǎn)，在制備高性能的可拉伸導(dǎo)體方面仍具挑戰(zhàn)。目前報(bào)道的柔性導(dǎo)電復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的機(jī)械拉伸性能，但在拉伸應(yīng)變下導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的斷裂會(huì)使電阻迅速增加。此外，由于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，循環(huán)拉伸和彎曲可能導(dǎo)致導(dǎo)電性顯著降低，從而限制其作為可拉伸導(dǎo)體的應(yīng)用。因此，對(duì)于傳統(tǒng)的導(dǎo)電復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定導(dǎo)電性和可拉伸性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
3.研究方法
文章設(shè)計(jì)了一種微觀(guān)焊接加固策略，通過(guò)對(duì)三維碳管網(wǎng)絡(luò)的連接界面進(jìn)行橋連焊接，構(gòu)建出了一種連續(xù)的焊接增強(qiáng)三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（GNP-w-CNT）。結(jié)果顯示，將聚酰亞胺層沉積在碳管網(wǎng)絡(luò)的骨架上，再通過(guò)高溫碳化將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦呓Y(jié)晶性的石墨結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部界面的顯著增強(qiáng)，從而提高三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性，顯著降低相鄰碳管之間的接觸電阻。同時(shí)，通過(guò)進(jìn)一步封裝柔彈性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）可以獲得高導(dǎo)電性的復(fù)合材料（GNP-w-CNT/PDMS）并表現(xiàn)出良好的拉伸性能和導(dǎo)電性。GNP-w-CNT網(wǎng)絡(luò)的嵌入使得復(fù)合材料具有5.7 MPa的拉伸強(qiáng)度和210%的超高拉伸性能。同時(shí)，GNP-w-CNT/PDMS復(fù)合材料在1000次拉伸-松弛循環(huán)后也表現(xiàn)出良好的循環(huán)加載穩(wěn)定性。同時(shí)，其在大幅度拉伸變形下依舊能夠保持良好的導(dǎo)電性，如在150%應(yīng)變下，GNP-w-CNT/PDMS的電阻僅略微增加約20%。這是因?yàn)樵诶鞝顟B(tài)下，焊接結(jié)構(gòu)能夠錨固相鄰的碳管，使其發(fā)生自身結(jié)構(gòu)的舒展而非結(jié)構(gòu)的破壞來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的釋放，從而保持導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性。這種穩(wěn)固的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使得復(fù)合材料的電阻在應(yīng)變卸載后幾乎可以恢復(fù)到初始值。同時(shí)，GNP-w-CNT/PDMS復(fù)合材料的導(dǎo)電性具有顯著的重復(fù)性，即使在1000次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定。
文章中圖1.a)基于GNP-w-CNT/PDMS的可伸縮導(dǎo)體的制備原理圖和可伸展導(dǎo)體的光學(xué)圖像。b)焊接網(wǎng)和非焊接網(wǎng)的結(jié)構(gòu)變化示意圖。
文章中圖7.a)在拉伸、彎曲、扭曲和擠壓變形下發(fā)光的LED的光學(xué)圖像；b)GNP-w-CNT/PDMS導(dǎo)體在拉伸、扭曲、彎曲和擠壓過(guò)程中的電阻變化；
c)可伸展導(dǎo)體在人體中的可穿戴應(yīng)用的圖示；d)由連接到手指上的GNP-w-CNT/PDMS導(dǎo)體和LED組成的LED電路的光學(xué)圖像。
4.研究結(jié)論
在這項(xiàng)工作中，作者展示了一種理想的方法來(lái)構(gòu)建一個(gè)由PDMS基體支撐的互連導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以形成可伸展的柔性導(dǎo)電復(fù)合材料。微觀(guān)和光譜分析表明，通過(guò)均勻的聚合物前驅(qū)體涂層和原位熱解碳化可以形成焊接結(jié)構(gòu)。GNPs焊接了相鄰的碳納米管，促進(jìn)了電子的連續(xù)傳輸路徑的形成，并避免了物理變形過(guò)程中的界面的滑移和破壞。GNP-w-CNT可以在不降低共聚物機(jī)械柔軟性的前提下，大大提高PDMS的導(dǎo)電性。該可拉伸導(dǎo)體具有高電導(dǎo)率(超過(guò)132 S m?1)、優(yōu)異的伸長(zhǎng)性(伸長(zhǎng)率可達(dá)150%)和優(yōu)異的力學(xué)穩(wěn)定性(1000次伸長(zhǎng)-釋放循環(huán))。由于GNP-w-CNT/PDMS復(fù)合材料具有較高的電導(dǎo)率和優(yōu)異的拉伸性能，在可拉伸和可穿戴電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。將所研制的GNP-w-CNT/PDMS基可拉伸導(dǎo)體作為L(zhǎng)ED的可伸展導(dǎo)線(xiàn)，通過(guò)貼附在手指關(guān)節(jié)的方式驗(yàn)證了該可拉伸導(dǎo)體的適宜性和穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為基于3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的可拉伸導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)提供了靈感，在下一代可穿戴電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
5.作者簡(jiǎn)介
本文共同通訊作者為香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院鄭慶彬教授
鄭慶彬教授2011年博士畢業(yè)于香港科技大學(xué)機(jī)械及航空航天學(xué)系，2019年加入香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院擔(dān)任助理教授并入選國(guó)家海外高層次青年人才項(xiàng)目。鄭教授曾任香港科技大學(xué)機(jī)械及航空航天學(xué)系訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者，德國(guó)德累斯頓萊布尼茨高分子研究所“洪堡學(xué)者”，及香港科技大學(xué)機(jī)械及航空航天學(xué)系研究助理教授，曾獲德國(guó)“洪堡學(xué)者”及香港科技大學(xué)高等研究院“青年學(xué)人”等榮譽(yù)并獨(dú)立主持國(guó)家自然科學(xué)基金，德國(guó)洪堡基金，香港研究資助局優(yōu)配研究金等項(xiàng)目。鄭教授長(zhǎng)期從事納米碳材料與集成器件的先進(jìn)制造加工及其在機(jī)械、電子、航空航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，如多功能復(fù)合材料、柔性顯示、柔性傳感和柔性電磁屏蔽等，取得了一系列重要研究成果，已在Progress in Materials Science, Materials Today, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Materials Horizons, Nanoscale Horizon, Nano-Micro Letters, ACS Applied Materials & Interfaces, Carbon等本領(lǐng)域頂級(jí)期刊發(fā)表文章60余篇，論文總計(jì)被引用5000余次，H-index為37。
本文第一作者為香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院張飛博士
張飛博士2019年博士畢業(yè)于天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2019年加入香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院鄭慶彬教授團(tuán)隊(duì)擔(dān)任博士后。目前主持項(xiàng)目包括中國(guó)博士后面上基金（一等資助）和博士后特殊資助（站中）。張博士長(zhǎng)期從事納米碳材料與集成器件的先進(jìn)制造加工及其在界面?zhèn)鳠?、先進(jìn)傳感和柔性導(dǎo)體等領(lǐng)域的應(yīng)用，如兼顧柔彈性的導(dǎo)熱復(fù)合材料、柔性傳感器和柔性導(dǎo)體等，取得了一系列重要研究成果，已在 Materials Science and Engineering: R: Reports, Advanced Functional Materials, Nature communications, Materials Horizons, Chemical Engineering Journal, Carbon等本領(lǐng)域頂級(jí)期刊發(fā)表文章十余篇，論文總計(jì)被引用300余次。
文章轉(zhuǎn)自理工學(xué)院微信公眾平臺(tái)，https://mp.weixin.qq.com/s/PXGgvcq_e08mUPLv_Mcmng
