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【材料】上海交通大學張荻教授團隊:高強高導石墨烯/金屬基復合材料的仿生設計

       強度和導電性是導體金屬材料兩個至關重要的性能,實際應用中往往需要導體材料同時具有高強度和高導電性。然而,在常規金屬材料中這兩種性能往往不可兼得。通過向金屬中引入高強度、高導電的增強體,如石墨烯,制備石墨烯/金屬基復合材料,為解決這一關鍵問題提供了可行途徑。但是,由于在石墨烯與金屬的復合過程中,存在如石墨烯在金屬基體中的均勻分散與其結構完整性保持的協同、復合構型以及優良電學接觸復合界面的構建等諸多困難,目前已報道的石墨烯/金屬基復合材料在結構-功能綜合性能、特別是高導電性方面,在還不盡如人意。

       針對金屬基復合材料中強度-塑韌性-導電性失配這一關鍵共性問題,上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室張荻教授團隊受自然生物材料啟發,提出了仿生復合的學術思想,設計制備了具有仿貝殼珍珠層“微納磚砌結構”的石墨烯/銅基復合材料,并建立了仿生復合技術原型。通過對仿生復合構型的形成與演變規律、復合界面相容性設計與調控、復合構型/界面與性能耦合響應機制等關鍵科學問題的研究,制備得到了具有強度-塑韌性-導電性均衡匹配的仿生石墨烯/銅基復合材料 [1]。相關工作(Carbon, 2017, 117, 65-74)發表后,引起了廣泛關注。美國麻省理工學院土木與環境工程系系主任Markus J. Buehler教授和密西根大學材料科學與工程系系主任Amit Misra教授在美國材料學研究會會刊(MRS Bulletin, 2019, 44: 19-24)上發表的綜述中引用說道:“與未增強的銅基體相比,具有仿貝殼納米疊層結構和改進界面結合的2.5 vol.%石墨烯增強銅基復合材料的屈服強度和彈性模量分別提高了約177%和25%,并保持銅的延展性和導電性。”

圖1. 高強韌高導電石墨烯增強金屬基復合材料的仿生設計思想。

圖2、(a-c)自然貝殼珍珠層“磚砌結構”;(d-i)仿貝殼珍珠層結構石墨烯/銅基復合材料。

圖3. 仿貝殼珍珠層結構石墨烯/銅基復合材料的均衡力學和導電性能。

       在此研究基礎上,張荻教授團隊深入開展復合界面設計研究,制備了超高導電石墨烯/銅復合界面及其復合材料。通過對石墨烯結構參數、金屬基體微結構、石墨烯/基體位相關系等參數的定向調控,使得石墨烯/銅基復合材料的電導率較銅和銀分別提高約17%和10%的。國際銅業協會(International Copper Association)認定該電導率是迄今為止金屬材料室溫電導率的最高值。進一步對復合材料/復合界面的宏觀/微觀導電性能分析,并結合第一性原理計算,初步揭示了其超高導電機制。相關研究結果近期發表于Advanced Functional Materials。

       本研究的成果為制備高強高導金屬基復合材料提供了理論基礎和實用途徑,也為石墨烯中的電子行為研究提供了新平臺,為開辟其不可替代性應用提供了新機遇。人民網等主流媒體也展望了該類材料所具有的巨大應用價值,如在工業電機或電網系統中的應用大大降低碳排放、節省燃油消耗,以及縮小所有電器設備,包括線纜、電機、變壓器、汽車線束、線路板等的尺寸。

圖4. 超高導電石墨烯-銅復合材料與界面的(a-g)制備與(h,i)微觀導電性能分析。

       相關研究得到了國家重點研發計劃(2017YFB0406200)和國家自然科學基金委 (51771110, 51371115)等項目的大力支持。

原文(掃描或長按二維碼,識別后直達原文頁面):

Ultrahigh Electrical Conductivity of Graphene Embedded in Metals

Mu Cao, Ding-Bang Xiong, Li Yang, Shuaishuai Li, Yiqun Xie, Qiang Guo, Zhiqiang Li, Horst Adams, Jiajun Gu, Tongxiang Fan, Xiaohui Zhang, Di Zhang

Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1806792, DOI: 10.1002/adfm.201806792

導師介紹

張荻

https://www.x-mol.com/university/faculty/18046

參考文獻:

1. Mu Cao, Ding-Bang Xiong, ZhanqiuTan, Gang Ji, Behnam Amin-Ahmadi, Qiang Guo, Genlian Fan, Cuiping Guo, Zhiqiang Li, Di Zhang, Aligning graphene in bulk copper: Nacre-inspired nanolaminated architecture coupled with in-situ processing for enhanced mechanical properties and high electrical conductivity, Carbon, 2017, 117, 65-74.

 

文章來源:X-MOL (x-mol.com)

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