新疆理化所三維高分子納米複合材料的製備及應用研究取得進展

高分子納米複合材料是材料科學領域新興的研究方向之一。以碳納米管（CNTs）和石墨烯為代表的新型碳納米材料由於具有獨特的結構和優異的性能，在高分子納米複合材料領域引起了廣泛的研究興趣。但是，如何將碳納米材料分散在高分子基體並確保已經分散的納米顆粒在複合材料製備過程中（如加熱、加壓等）的穩定性，是製備高性能納米複合材料的關鍵。納米材料具有巨大的比表麵積，利用這一特性構築具有宏觀多孔、微觀處於納米分散體結構的泡沫材料為實現碳納米顆粒的分散提供了一種新的手段。通常采用化學氣相沉積法（CVD）可有效製備CNT、石墨烯等碳納米泡沫材料。但該法常以泡沫鎳、銅等金屬為模板，所得材料在使用過程中須用強酸將金屬模板去除，這難免會對碳納米材料的結構和性能帶來負麵影響。

中國科學院新疆理化技術研究所研究員馬鵬程領銜的複合材料研究團隊在CNT泡沫材料的製備和應用研究領域取得一係列進展：研究人員以廉價的商業化高分子泡沫材料（價格是泡沫鎳的1/10）為模板，通過控製實驗條件使催化劑的原位生成、高分子模板的部分熱裂解去除以及納米材料的生長等過程同步進行，實現了CNT泡沫體的高效、可控生長（圖1A）。所得納米泡沫材料具有優異的結構穩定性、疏水和吸附性能，可吸附自身30-80倍重量的有機溶劑和未聚合的液態高分子樹脂（圖1B）。此外，該方法可製備出任意形狀的CNT泡沫，這為相應高分子納米複合材料的製備提供了極大便利，泡沫體宏觀所呈現出的聚集狀態也解決了納米顆粒在高分子基體中分散難以控製的問題。該方法還具有較好的普適性，如以天然棉紗或石墨烯泡沫材料為模板，可分別獲得具有微米-納米層級結構的材料或碳納米雜化泡沫材料。

科研人員充分利用CNT泡沫體的孔狀結構和吸附性能，以聚二甲基矽氧烷為基體，同時結合樹脂自浸潤法製備了三維高分子納米複合材料（圖1C），研究了材料的力學、電學性質，發現材料具有獨特的壓阻效應（材料在外力作用下電阻發生線性或非線性變化行為），並以此為基礎研發出基於三維高分子納米複合體係的柔性應變傳感器件。該器件在不同條件下可實現對材料應變的高靈敏度檢測，如在壓縮情況下材料穩定的應變響應範圍可達53%（對應的靈敏度因子為30.0），在拉伸條件下可達69%（對應靈敏度因子為9.9）。此外，該柔性傳感器在一定的拉伸或壓縮應變條件下均表現出良好的循環穩定性（圖1中D和E）。研究人員利用自行研發的掃描電鏡-微型原位力學測試裝置（圖1F），研究了上述器件在應力條件下的實時微觀斷裂行為，發現器件的電阻行為與導電填料CNT泡沫骨架的變化、內部裂紋的產生和擴展（圖1G）等多個因素相關，並從微觀形貌和結構變化角度上對傳感材料的力-電耦合行為進行了解釋。該柔性應變傳感器可以以多種方式結合到實際應用中，如檢測手指彎曲、製成電子皮膚顯示材料應力分布狀況、接入電路指示材料所處的應變狀態等，在可穿戴設備、柔性電子顯示、能源存儲等領域具有廣闊的應用前景。

部分科研成果已經申請國家發明專利並獲得授權，有關三維高分子納米複合材料用於柔性傳感器件方麵的研究工作近期發表在複合材料領域專業雜誌Composites Science and Technology上。該項研究工作得到國家“千人計劃”、自然科學基金以及中科院精細化學品產業化聯盟等的支持。

圖1：三維高分子納米複合材料的製備及應用（A：以高分子海綿為模板製備的CNT泡沫材料；B：CNT泡沫的疏水及吸附性能；C：柔性CNT泡沫/PDMS三維高分子納米複合材料；D和E：基於三維高分子納米複合材料的柔性傳感器件在多次拉伸和壓縮條件下的壓阻行為；F：用於研究材料在負載條件下實時微觀斷裂行為的微型原位力學測試裝置；G：三維高分子納米複合材料在不同負載條件下內部裂紋產生和擴展情況） AAAZXCASFWEFERH