Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Графеновую бумагу расправили и сделали прочнее

Структура композитного материала на основе графеновой бумаги

Peng Li et al. / Nature Communications, 2020

Китайские исследователи нашли способ избавиться от складок в слоях графеновой бумаги. Для этого они погружали материал в пластификатор, растягивали, после чего вынимали и сушили под натяжением. В результате ученые смогли повысить предел прочности на растяжение в 4,7 раза по сравнению с исходным материалом, а электрическую проводимость — в 1,62 раза. Композиты на основе графеновой бумаги могут использоваться в качестве конструкционных материалов для аэрокосмической промышленности. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Графен обладает важными свойствами: высокой проводимостью, механической прочностью, мягкостью и низким сопротивлением при изгибе. Эти свойства делают графен привлекательным для создания прочных композитных материалов с высокой тепло- и электропроводимостью. Однако внедрение отдельных слоев графена не позволяет придать конечному материалу требуемую гибкость или достаточную прочность. Одно из возможных решений проблемы — создание графеновой бумаги.

Для создания графеновой бумаги сегодня используют либо плазмохимическое осаждение из газовой фазы, либо восстановление суспензии оксида графена в воде. Однако в обоих случаях листы оксида графена в такой бумаге содержат складки. Это неровности поверхности, которые ухудшают механические свойства графеновой бумаги. Ее жесткость при изгибе, например, уменьшается более чем в 40 раз по сравнению с обычным графеном, а предел прочности — до 453 мегапаскалей.

Китайские ученые под руководством профессора Чао Гао (Chao Gao) из Чжэцзянского университета выяснили, как бороться с этой проблемой. Они сделали из графеновой бумаги длинную ленту, похожую на фотопленку. Ее концы намотали на вращающиеся валики, а центральную часть поместили в раствор пластификатора с помощью других валиков. При этом скорость расположенных по краям ленты валиков можно было регулировать. В зависимости от соотношения скоростей валиков исследователи регулировали силу натяжения ленты. Ученые растягивали ее на восемь процентов от изначальной длины, пока лента находилась в растворе пластификатора. В качестве пластификатора исследователи выбрали этанол, молекулы которого связывали слои оксида графена с помощью водородных связей.


После пластификации ученые высушивали материал под натяжением, чтобы не допустить образование складок. В результате авторы получили распрямленную конформацию графеновой бумаги с улучшенными механическими и проводящими свойствами. Предел прочности такой бумаги оказался равен 1,1 гигапаскаль — в 4,7 раза выше, чем у конформации со складками. Модуль Юнга, который характеризует способность материала сопротивляться деформирующим его силам, вырос в 7,93 раза. При этом электрическая проводимость графеновой бумаги выросла на 62 процента — до 1,09 × 105 сименс на метр, а теплопроводность — в 2,58 раза, до 109,11 ватт на метр на кельвин.

Затем исследователи попробовали создать на основе распрямленной графеновой бумаги композиционный материал. Для этого они помещали эпоксидную смолу между двумя слоями графеновой бумаги, после чего спрессовывали их при 80 градусах Цельсия в течение 12 часов. Предел прочности такого композита оказался в 5,76 раза выше, чем у исходной эпоксидной смолы. Его электрическая проводимость при этом выросла в два раза по сравнению с аналогичным композитом, созданным на основе складчатой графеновой бумаги.

На основе такой распрямленной графеновой бумаги исследователи смогут в дальнейшем создать более эффективные мембраны, пропускающие жидкости и блокирующие ток газов. Благодаря высокому пределу прочности и низкой плотности — 1,4 грамм на кубический сантиметр — композиты на основе графеновой бумаги могут использоваться в качестве конструкционных материалов в аэрокосмической отрасли.

Ранее исследователи использовали графеновую бумагу для другой цели — создания суперконденсаторов. Для этого им пришлось сделать углеродный материал прозрачным. Кроме суперконденсаторов такая прозрачная бумага, предположительно, найдет применение в солнечных батареях.

Никита Шевцев


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.