復(fù)合材料具有很好的柔韌性和穩(wěn)定性
本報訊 近日，中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室成會明、任文才帶領(lǐng)研究團隊在石墨烯三維體材料的宏量制備和應(yīng)用方面取得重要突破。相關(guān)研究成果于4月10日在《自然材料》上在線發(fā)表，并在4月14日出版的《自然》雜志上作為研究亮點予以介紹。
科研人員制備出具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泡沫狀石墨烯體材料，該材料不僅具有極低的密度、極高的孔隙率和高比表面積，而且還具有石墨烯優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，拓展了石墨烯的物性和應(yīng)用空間，為石墨烯在柔性導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱管理、電磁屏蔽、吸波、催化、傳感及儲能材料等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
最近，化學(xué)氣相沉積（CVD）方法的迅速發(fā)展，極大促進了大面積高質(zhì)量石墨烯的制備及其在透明導(dǎo)電薄膜方面的應(yīng)用。但是，目前CVD方法多以銅箔、鎳膜等平面型金屬作為生長基體，只能得到二維平面的石墨烯薄膜，雖然適于納電子器件和透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用，但難以滿足復(fù)合材料、儲能材料等宏量應(yīng)用的要求。
研究人員采用兼具平面和曲面結(jié)構(gòu)特點的泡沫金屬作為生長基體，利用CVD方法制備出具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泡沫狀石墨烯體材料。研究發(fā)現(xiàn)，這種石墨烯體材料完整地復(fù)制了泡沫金屬的結(jié)構(gòu)，石墨烯以無縫連接的方式構(gòu)成一個全連通的整體，具有優(yōu)異的電荷傳導(dǎo)能力、850立方米/克的比表面積、99.7%的孔隙率和5毫克/立方厘米的極低密度。并且，這種方法可控性好，易于放大，通過改變工藝條件可以調(diào)控石墨烯的平均層數(shù)、石墨烯網(wǎng)絡(luò)的比表面積、密度和導(dǎo)電性。采用基體卷曲的方法，研究人員可制備出170×220平方毫米及更大面積的石墨烯泡沫材料。
基于石墨烯泡沫獨特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，科研人員采用原位聚合的方法制備出石墨烯泡沫/硅橡膠復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在石墨烯添加量重量百分比僅為0.5的條件下，復(fù)合材料的電導(dǎo)率可達10秒/厘米，比基于化學(xué)氧化剝離法制備的相同添加量的石墨烯復(fù)合材料的電導(dǎo)率，提高了6個數(shù)量級，也高于基于高質(zhì)量碳納米管的復(fù)合材料的電導(dǎo)率。而且，這種復(fù)合材料具有很好的柔韌性和穩(wěn)定性，在彎折和拉伸等條件下僅有很小的電阻變化（如50%拉伸應(yīng)變條件下的電阻變化<30%），在應(yīng)力釋放后可迅速恢復(fù)其原有形貌和電阻值，因此是一種理想的彈性導(dǎo)體材料，在柔性顯示器、可穿戴式移動通訊設(shè)備和人造皮膚等柔性電子方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
研究團隊提出的以多孔金屬作為生長基體是石墨烯CVD生長的一條新思路，可實現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的大量制備，也為具有特定結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的石墨烯三維體材料的制備提供了一個基本策略。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和中科院的支持。（周峰 劉言）
