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666!石墨烯,还能做导电胶水  

2017-03-06 15:59:58|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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胶水,作为连接两种材料的中间体,在生产生活中有着广泛的应用。传统胶水一般含有复杂的高分子成分,在高温或腐蚀环境中的应用受到很大限制,且多数不具有导电性能。碳纳米材料如碳纳米管和石墨烯,具有高比表面积以及出色的机械强度和柔性,是制备新一代高性能纳米胶水的候选材料。之前,研究人员开发了类似于壁虎爪结构的碳纳米管阵列干胶,利用碳纳米管的纳米级末梢产生范德华力,实现对光滑表面的强吸附和粘接。石墨烯,作为典型的二维层状纳米材料,也可能有类似的性能,其平面原子结构和良好的柔性(贴合于表面)使得它与接触表面之间也能产生较高的范德华力,因而可以用来制备超薄导电胶水。

近期,北京大学工学院曹安源教授课题组在ACS Nano 杂志上发表文章,利用氧化石墨烯溶液作为胶水电极,将三维纳米多孔材料如碳纳米管海绵粘接在硅片或金属等不同基底的表面,只需一层薄薄的氧化石墨烯便可实现牢固的粘接,而且不会渗入海绵内部的孔隙中。经高温或化学还原后,该粘接层具有良好的导电性,为基底和粘接物之间提供了导电通道,同时还保持着高的粘接强度。

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图1. 利用氧化石墨烯胶水粘接碳纳米管海绵的过程及碳纳米管(CNT)-氧化石墨烯(GO)-硅(Si)界面接触的示意图。图片来源:ACS Nano

氧化石墨烯胶水通过简单的滴加和自然干燥过程,将碳纳米管海绵粘接在硅基底上,其中粘接界面包括碳纳米管与氧化石墨烯接触界面和氧化石墨烯与硅基底接触界面。作者分别从理论计算和实验测试分析了两个界面的粘接强度,通过拉伸实验拔掉粘接在基底上的碳纳米管海绵或碳纳米管/环氧机械增强复合海绵,分别得到了碳纳米管-氧化石墨烯界面和氧化石墨烯-硅基底界面的实测粘接强度。粘接效应来源于碳纳米管与氧化石墨烯之间的π-π相互作用,以及氧化石墨烯和硅基底之间的范德华力。

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图2. 由于氧化石墨烯与硅片间的高粘接强度,粘接在硅片上的碳纳米管/环氧复合海绵可以悬挂起两千克的砝码。图片来源:ACS Nano

以粘接在铜箔上的碳纳米管海绵为三维多孔模板,通过灌注聚二甲基硅氧烷(PDMS),作者制备了机械性强、弹性好、导电的碳纳米管/PDMS复合海绵。该复合海绵经历千次压缩循环,依然保持稳定的力学和电学性能。在实验过程中,还原氧化石墨烯不仅起到粘接的作用,还作为电极表现出优异的导电性。

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图3. (a)GO胶水应用在碳纳米管海绵、硅片、碳纳米管/石蜡复合海绵之间粘接的实物图;(b)碳纳米管海绵被粘接在柔性铜箔上,变形弯折情况下碳纳米管海绵依然不脱落的实物图。图片来源:ACS Nano

该研究提出的氧化石墨烯导电胶水,具有成分简单、易操作、超薄、不渗透、耐高温、导电性优异等特点,在开发新型功能纳米器件,如柔性传感器、三维多孔电极中具有潜在应用价值。

这一成果近期发表在《ACS Nano》上,论文通讯作者为北京大学曹安源教授,第一作者为北京大学博士研究生杨柳思。

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