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北航頂刊《PNAS》強度436MPa,楊氏模量14GPa!一種高強高導二維材料

編輯推薦:將優(yōu)異的機械和電學性能集成到MXene基板中仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。本文制備的MXene (SBM)板材抗拉強度為436 MPa,韌性為8.39 MJ/m3,楊氏模量為14.0 GPa,還具有高導電性和非凡的電磁屏蔽效能。經(jīng)過100次360度折疊后,可以保持原有電導率的78.5%和原有抗拉強度的87.2%。這種高性能MXene復合材料,在柔性電子器件和航空航天領域具有潛在應用前景。


MXene材料是一類具有二維層狀結構的金屬碳化物和金屬氮化物材料,其外形類似于片片相疊的薯片。碳化鈦(Ti3C2Tx) MXene具有優(yōu)良的導電性和機械性能,在航空航天和柔性電子領域具有很大的應用潛力。然而,將MXene納米片組裝成宏觀高性能納米復合材料具有挑戰(zhàn)性,從而限制了MXene的實際應用。近日,來自北京航空航天大學的程群峰等研究者,通過氫鍵和離子鍵的順序橋接制造了高強高導電的MXene薄片。相關論文以題為“Strong sequentially bridged MXene sheets”發(fā)表在PNAS上。


論文鏈接:

https://www.pnas.org/content/early/2020/10/20/2009432117?cct=1736


碳化鈦(Ti3C2Tx) MXene,二維過渡金屬碳化物,是一個新興有前途的功能材料,由于其優(yōu)異的機械和電氣性能,可用于靈活的電子設備,航空航天,如超級電容器、鋰離子電池、電磁干擾(EMI)屏蔽等眾多領域中。表面極性官能團(Tx),如-F,=O和-OH,使MXene納米片易于通過氫鍵、離子鍵和共價鍵連接。


2011年發(fā)現(xiàn)的MXene納米片,通過各種界面相互作用,被人們大量地組裝成宏觀的高性能MXene基納米復合材料。例如,各種聚合物或納米材料與含氧極性基團,如聚乙烯醇(PVA)、殼聚糖、海藻酸鈉(SA),聚(材料間是的運動)聚(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS)、纖維素納米纖維(CNF),芳綸納米纖維(ANF)、蒙脫石、石墨烯氧化物,由氫鍵引入MXene夾層,改善了MXene片的機械性能。Liu等人使用離子交聯(lián)來增強MXene片。Shen等人通過共價橋接鄰近的MXene小塊來提高MXene片材的附著力和剛度。然而,這些策略通常只會以電導率的大幅降低為代價,對MXene-基板的力學性能造成輕微的改善,限制了它們的實際應用。例如,MXene-PVA片材具有中等的拉伸強度91 MPa,但極低的導電性僅為0.0004 S/cm。


最近,一種質(zhì)子酸膠體處理方法被證明可以促進MXene薄片的電學和力學性能,但是由于薄片間的連接性較弱,所獲得的抗拉強度(102 MPa)遠低于此前報道的最強的MXene-CNF薄片(341 MPa)。因此,盡管取得了一些進展,但將優(yōu)異的機械和電學性能集成到MXene基板中仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。


在這項工作中,研究者報道了通過順序橋接過程構建高性能的MXene基板,其中MXene納米板首先通過氫鍵與SA橋接,然后通過離子鍵與鈣離子(Ca2+)橋接生成雜化的MXene-SA構建塊。順序橋接MXene (SBM)板材的平面抗拉強度為436 MPa,韌性為8.39 MJ/m3,楊氏模量為14.0 GPa,分別是純MXene板材的6.9倍、13.5倍和2.5倍。此外,SBM薄片具有高導電性(2,988S/cm)和非凡的歸一化EMI屏蔽效能(SE) (58,929dB·cm2/g)。在最大拉應力水平為245MPa時,SBM片材的疲勞壽命超過2×105次。經(jīng)過100次360度折疊后,SBM片材可以保持原有電導率的78.5%和原有抗拉強度的87.2%。在潮濕環(huán)境下,它們也表現(xiàn)出優(yōu)異的長期電氣穩(wěn)定性。分子動力學(MD)模擬表明,同時提高拉伸強度和韌性是由于有效的載荷轉(zhuǎn)移和MXene納米薄片的大滑移。


圖1 SBM薄片的制備與結構表征。


圖2 SBM薄片的XRD和光譜表征。


圖3 SBM板材的機電性能。


圖4 SBM薄片的斷裂機理。


圖5 SBM片材抗重復拉伸、拉伸和折疊造成的機械損傷,以及在潮濕環(huán)境下的長期電氣穩(wěn)定性。


綜上所述,研究者證明了氫和離子鍵合劑的連續(xù)應用可以優(yōu)化韌性、抗拉強度、潮濕環(huán)境下的抗氧化性,以及抗超聲解體和機械破壞。這些MXene片材的抗拉強度高達436 MPa。這里的順序橋接工藝可用于組裝其他MXene納米片,形成高性能MXene復合材料,在柔性電子器件和航空航天領域具有潛在應用前景。(文:水生)


本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。


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