东华大学在可折叠柔性CNF薄膜研究取得进展

成果简介

通过传统方法制备的碳纳米纤维（CNF）通常由无定形碳和石墨片组成，这通常赋予 CNF 高模量和脆性。本文，东华大学闫建华研究员、丁彬教授等研究人员在《Adv. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Controllable Fabrication of Flexible and Foldable Carbon Nanofiber Films”的论文，研究报告了一种控制 CNF中石墨片结构的策略，用于可扩展地制备丝状柔性CNF薄膜，该薄膜可以任意折叠成任何形状，并且可以经历数千次动态弯曲变形循环。

具体而言，首先将聚丙烯腈（PAN）的碳前驱体电纺成NFs，然后通过控制预氧化反应和碳化过程，设计出具有不同石墨化程度的CNFs，具有可调机械性能的柔性CNF薄膜，从传统的弯曲回弹性柔性到可以制造真正可折叠的灵活性。同时，提出了微观结构与CNF的可折叠柔性之间的相关机制。重要的是，发现由于适当数量的石墨烯片，控制前体 PAN NFs 的预氧化温度可以有效降低CNF的结构刚度。该研究为设计用于多种应用的真正可折叠CNF薄膜提供了理论基础。

图文导读

图1、a) 采用静电纺丝、预氧化和高温碳化制备柔性 CNF 的示意图。b)CNF从通常观察到的柔性弯曲弹性状态到可折叠状态的有趣机械变化的图示。

图2、不同CNF的材料表征。

图3、材料表征

图4、CNF薄膜的机械强度表征。

图5.单个 CNF 的原位弯曲测量和应力模拟分析

小结

综上所述，通过调节预氧化温度成功合成了一系列具有不同柔性性能的CNF薄膜，并系统地研究了纯CNF的柔性机理。通过TG-MS表征，发现预氧化温度为 250 ℃时，PAN分子链的氧化程度较低，导致CNFs的芳构化度和石墨化度较低。相比之下，当预氧化温度为300℃时，PAN分子的氧化程度合适，CNF薄膜的石墨化程度较高。然而，当将预氧化温度设置为 350 ℃时，芳构化的 PAN 分子会进一步与氧气发生反应，导致CNF出现更多的结构缺陷。此外，通过原位FIB测试和 FEA 模拟说明了单个CNFs的柔性机制，其中CNFs的无定形碳基体结构用于传导外部应力，而石墨化片材与无定形碳之间的界面实现分散应力，然后石墨化片层可以吸收部分弯曲应力并将其存储为弹性能，以缓解CNF的应力集中现象。该研究为设计用于多种应用的真正可折叠CNF薄膜提供了理论基础。

文献：

https://doi.org/10.1002/admi.202201231