具有極端力學(xué)性能的材料可以滿足日益增長的工程需求，有希望將科幻小說中的太空電梯、太陽帆、戴森球等超級工程帶入現(xiàn)實。然而像石墨烯(σ=130 GPa)、碳納米管(σ>100 GPa)等納米材料的優(yōu)異力學(xué)性能僅能維持在納米尺度，而難以長程有序地向宏觀尺度延續(xù)，其原因主要是納米材料間的微觀應(yīng)力傳遞太弱。在人類連續(xù)制備出千米尺度的石墨烯、碳納米管之前，提高微觀應(yīng)力傳遞仍是提高宏觀力學(xué)性能的主要方法。
圖1. 芳綸納纖基復(fù)合膜的設(shè)計、制備與性能。(a) 溶液-凝膠-固體轉(zhuǎn)化過程。(b) 增強機(jī)理。(c) 復(fù)合膜性能對比的雷達(dá)圖。
圖2. 復(fù)合膜的超強韌機(jī)械性能。(a, b) 透明的原始芳綸納纖膜和復(fù)合膜(厚度均為～5 μm)。(c) 柔性展示。(d) 拉伸失效后APG薄膜的類貝殼珍珠層狀橫截面SEM圖像。(e) 斷裂的頂視圖SEM圖像，其中納米纖維被拉出并沿拉伸方向?qū)R。(f) 在主裂紋尖端產(chǎn)生的微裂紋。(g) 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(h) 從應(yīng)力-應(yīng)變曲線統(tǒng)計的抗拉強度和韌性比較。
圖3. 芳綸納纖和氧化石墨烯片之間的界面相互作用。(a) 納纖的AFM圖像。(b) 納纖/氧化石墨烯的AFM圖像顯示了兩種組分的親和力(灰色虛線勾勒出復(fù)合材料和基板的邊界)。(c) 不同混合分散體的Zeta電位。(d) 復(fù)合材料在達(dá)到熱力學(xué)平衡過程中的分子結(jié)構(gòu)演變。(e) 密度泛函理論計算的系統(tǒng)能量隨質(zhì)子位置而變化。
圖4. 對比試驗驗證拓?fù)湓鰪姍C(jī)理。(a-c) 引入不同填隙組分對結(jié)構(gòu)缺陷的影響圖示。(d)–(f) FIB-SEM表征對應(yīng)(a-c)的截面。(g) 不同填隙材料的力學(xué)對比。(h, i)不同填隙材料的尺度和形貌對比。
圖5. 復(fù)合膜的綜合性能。(a) 復(fù)合膜強度和韌性的ashby圖。(b) 復(fù)合膜在100°C下處理不同時間的力學(xué)性能變化。(c) 在不同溫度下處理8小時后的力學(xué)性能變化。 (d) 180°折疊10000次后的抗疲勞性(插圖：疲勞試驗后折痕的SEM圖像)。
這項研究以“A Synergistic Interfacial and Topological Strategy for Reinforcing Aramid Nanofiber Film”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上(DOI: 10.1039/D3MH00866E)。清華大學(xué)化學(xué)系2021級直博生金炯克為該論文的第一作者。合作者包括北京大學(xué)的牛佳莉研究員和北京化工大學(xué)的吳揚研究員。該研究得到了得到了國家自然科學(xué)基金、重點研發(fā)計劃等經(jīng)費支持。
張瑩瑩課題組：主要研究面向生命健康監(jiān)測的納米碳材料、絲蛋白材料及兩者的功能復(fù)合材料，發(fā)展其在柔性電子器件、智能織物和特種纖維領(lǐng)域的應(yīng)用。
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