Improving the Flexibility of Graphene Nanosheets Films by Using Aramid Nanofiber Framework

柔性芳纶纳米纤维骨架增韧的石墨烯纳米片复合薄膜

Kang Xie, Yuhang Liu, Yuxin Tian, Xunen Wu, Lingyu Wu, Yanling Mo, Guopeng Sui, Rongni Du, Qiang Fu^*,Feng Chen^*

      该研究通过简单的溶液共混法制备了一种石墨烯纳米片/芳纶纳米纤维骨架（GNS/ANFF）复合导热薄膜（图1）。在芳纶纳米纤维含量仅为2 wt%时，该复合薄膜不仅具有优异柔韧性和力学性能，并且保持有原本优异的导热和导电性能。该复合薄膜有望在下一代柔性显示器散热领域取得良好应用，相关研究成果发表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上。

图1 GNS/ANFF复合膜制备示意图

      石墨烯纳米片（GNS）具有极低的氧含量和缺陷密度，因此其薄膜具有良好的导热性和导电性能。但是，弱的层间相互作用力导致GNS薄膜的力学性能和柔韧性都较差，难以在下一代柔性电子器件领域取得应用。为了应对这一挑战，本研究将ANFF通过溶液共混的方式引入到GNS薄膜中，并且添加少量水以调节溶液中的ANFF的形态。结果表明，向芳纶纳米纤维/二甲基亚砜（ANF/DMSO）悬浮液中添加少量水可以恢复ANF之间的氢键，从而促进ANF形成稳定的骨架。这种设计策略促成了薄膜的柔韧性与其导电、导热等功能性之间的巧妙平衡。随着水或ANFF含量的提高，GNS/ANFF复合薄膜的力学性能逐渐提高。此外，复合薄膜的导电率和导热率不受加水量的影响，但随着ANFF含量的增加而降低。最重要的是，仅添加2 wt％的ANFF（GNS-2）即可大幅提高了GNS薄膜的柔韧性，而其导电性和导热性下降较少（图2a-d）。

图2 GNS薄膜和GNS/ANFF复合薄膜:(a)面内热扩散系数;(b)面内热导率;(c)电话上GNS-10复合膜(30毫米×30毫米)的红外图像(左:工作前;右:工作);(d)手机上GNS-10复合膜对应的温度分布曲线。

       GNS-2复合薄膜的拉伸韧性从30.8显着提高到108.7 kJ/m3，而GNS膜的电导率从827 S/cm下降 到569 S/cm，导热率从140 W/mK下降到131 W/mK。此外，即使在直接弯曲1000次之后，该复合膜也保持着优异的柔韧性（图3a和b）。良好的综合性能及其易于制备的工艺使GNS/ANFF复合薄膜在下一代柔性电子设备中具有良好的应用潜能。

图3 (a)GNS-10复合薄膜直接折叠时的归一化电阻(R/R0);(b)由GNS-10复合薄膜制成的纸鹤

       相关成果以“Improving the Flexibility of Graphene Nanosheets Filmsby Using Aramid Nanofiber Framework”发表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing (Composites Part A,2020, DOI:10.1016/j.compositesa.2020.106265)。四川大学高分子学院的谢康硕士为本论文第一作者，通讯作者为四川大学高分子学院的傅强教授和陈枫教授。感谢国家自然科学基金(No. 51721091 and 51573102)对本工作的支持！

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X20305005?via%3Dihub

资料提供：谢康

审核：吴凯

编辑：张玮