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东华大学丁彬&闫建华Adv. Mater.:具有优异柔韧性的氧化物陶瓷纳米纤维

氧化物陶瓷纤维具有导热率低、耐高温、耐腐蚀及耐震动等优点,在环境、医疗、能源、国防等诸多技术领域中应用广泛。当纤维直径从微米尺度降至纳米尺度时,由直径细化带来的小尺寸效应和表/界面效应赋予纳米纤维许多特殊的热、光、声、电、磁等性质。这极大提升了陶瓷材料性能,在柔性电子信息、新能源催化等高新领域有独特应用优势。然而,陶瓷纳米纤维普遍具有脆性,在弯曲形变时易断裂,如何增强其力学柔韧性是亟待解决的难题。


受由刚性三角块和软弹簧连接的“魔尺”玩具启发,东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬研究员带领的纳米纤维研究团队开发了一种聚合物诱导组装策略,实现了单根陶瓷纳米纤维内部晶粒的有序组装,制备了具有相似“砖-泥”结构的可弯曲甚至打结的柔韧性氧化物陶瓷纳米纤维。作者通过球磨纺丝液减小胶粒尺寸,通过牵伸杂化纳米纤维诱导晶粒有序生长,这两种策略有效减少了气孔缺陷和晶粒尺寸,并在晶体间构建了非晶弹性晶界,有效提升了氧化物晶体陶瓷纳米纤维的柔韧性。在这个研究中,作者报道了陶瓷纳米纤维的微观组装结构与柔韧性的关联机制,尝试解释了氧化物陶瓷纳米纤维的柔和韧。

图1. 柔性氧化物陶瓷晶体纳米纤维的制备示意图


作者通过热重分析、X射线衍射仪技术、拉曼光谱等详细表征了静电纺杂化纳米纤维高温烧结形成柔韧性氧化物陶瓷晶体纳米纤维的过程,探究了球磨和牵伸对氧化物陶瓷晶体纳米纤维膜的力学影响。结果表明,球磨和牵伸能够有效改善陶瓷纳米纤维膜的机械性能。

图2. 柔韧性氧化物陶瓷纳米纤维膜的成型过程和结构表征


此外,作者通过透射电镜(TEM)观察了弯曲过程中单根氧化物陶瓷纳米纤维的变化来探究其微观结构与柔韧性的关联机制。根据TEM图像,晶粒相互融合形成有序块状晶体,晶体间存在软响应的非晶或孪晶,在纤维受力弯曲过程中,有序晶粒中的无数小晶粒像齿轮一样通过上下滑动来释放应力,从而陶瓷纤维宏观表现为弯曲而不断裂。

图3. 氧化物陶瓷纳米纤维柔韧性机制


为探讨球磨和牵伸对氧化物陶瓷纳米纤维力学性能的强化作用,作者进行原子力显微镜(AFM)的力学表征,结果表明制备的球磨和弯板处理后的氧化物陶瓷纳米纤维具有低的弹性模量,因此呈现出优异的柔韧性。同时有限元模拟分析进一步证明了晶粒细化和有序组装对单根纤维力学性能的影响。根据模拟结果,具有小晶粒的陶瓷纳米纤维能够承受更大的应力,同时,晶粒有序组装的陶瓷纳米纤维在受力时会形成应力传送带,纤维内部非晶区域应力集中小,这些都有利于纤维受力时的应力分散,从而使陶瓷纳米呈现柔韧性。

图4. 氧化物陶瓷纳米纤维的AMF测试表征和有限元力学模拟


采用相同的方法,作者拓展性地制备了多种柔韧性氧化物陶瓷纳米纤维,进一步证明了基于球磨和牵伸的静电纺丝新方法对提升陶瓷纳米纤维柔韧性的通用性。

图5. 柔韧性氧化物陶瓷纳米纤维的的拓展


以上研究成果近期发表于Advanced Materials 上(DOI: 10.1002/adma.202105011)。东华大学纺织学院博士研究生张苑苑为文章第一作者,丁彬研究员和闫建华研究员为论文共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、上海市青年科技启明星的大力资助。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Superior Flexibility in Oxide Ceramic Crystal Nanofibers

Yuanyuan Zhang, Shujie Liu, Jianhua Yan, Xiaohua Zhang, Shuhui Xia, Yun Zhao, Jianyong Yu, Bin Ding

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202105011


作者介绍


闫建华,东华大学纺织学院研究员、博士生导师。主要从事柔性无机纳米纤维(膜)材料的可控制备及其在柔性电子、能源及光催化器件中的应用研究。获得国家重点研发计划课题、基金委优秀青年科学基金、中国科协青年托举人才工程、上海市海外高层次人才计划、上海市青年科技启明星等13个项目。


张苑苑,东华大学博士研究生,2017年本科毕业于青岛大学。主要研究柔性通体多孔碳纳米纤维的孔结构设计及柔性氧化物陶瓷纳米纤维的氧空位缺陷结构设计。目前在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、iScience、Carbon Energy等期刊发表论文10余篇。


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