浙大高超教授、許震研究員團隊AM：二維材料宏觀組裝體的塑化再加工

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2021年5月19日 11:16

二維材料家族涵蓋了絕緣體、半導體、金屬和超導體，并展現出許多不同于三維材料的獨特物性。將二維材料組裝為其宏觀體是制備高性能多功能宏觀材料的一種新思路。目前二維材料宏觀體的常見制備方法是濕法組裝，即以低濃度分散液為前驅體制備固態材料。然而，在向固態材料轉變的干燥過程中，二維宏觀材料不可避免地出現顯著的各向異性劇烈收縮，從而導致組裝結構的低尺寸精度問題。這一“加工精度困境”限制了二維宏觀組裝材料結構的精確控制以及性能進一步提升。

浙大高超教授、許震研究員團隊AM：二維材料宏觀組裝體的塑化再加工的圖1

在傳統金屬制造中，其精細結構的構筑往往通過塑性加工實現：金屬粉末原料通常預先被加工成板狀、管狀等坯料，再通過輥壓、模壓、擠出成型等塑性加工工藝，將固態原材料直接制備成具有特定形狀或結構的產品。這為解決二維材料濕法組裝加工精度低的問題提供了有益的借鑒思路：將濕法組裝的氧化石墨烯宏觀材料作為高濃度的固態原材料，利用塑性再加工方法實現表面精細立體結構、陣列結構或圖案化結構的精確構筑。

浙江大學高分子系高超教授、許震研究員團隊選取氧化石墨烯為實驗模型，揭示了二維氧化石墨烯近固態的彈塑性轉變特征，總結了二維材料的塑性行為，提出了以氧化石墨烯為代表的二維材料的精密塑化再加工策略，實現了宏觀組裝材料表面立體結構的精細構筑，拓展了二維宏觀材料的應用前景。相關成果以“Hydroplastic Micro-molding of Two-dimensional Sheets”發表在Advanced Materials(Adv.Mater. 2021,2008116)。論文的第一作者為博士后郭凡，現工作單位為南京理工大學化工學院。論文得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金的等相關經費的支持。

具體研究內容要點如下：

（1）揭示了二維材料層間距與力學行為的對應關系，明確了二維材料的近固態彈塑性轉變。隨著層間距的增大，層間相互作用快速衰減，片層間的相對運動被激活，其宏觀組裝材料在拉伸、彎曲和剪切條件下均表現出顯著的塑性變形。

（2）提出了二維宏觀材料的高精度再加工方法，實現了宏觀材料表面立體結構的精細構筑，最小加工精度可達400 nm,促進了宏觀材料在離子傳輸、光熱轉化等方面的功能化應用。

圖1.氧化石墨烯膜塑化過程及層間距變化示意圖

濕法組裝的氧化石墨烯膜通常呈現“強而脆”的力學特性，無法像高分子或金屬般進行塑性加工。通過溶劑插層塑化這一策略，氧化石墨烯膜的加工脆性得到顯著改善，實現了包括宏觀立體結構、圖案化和納米微陣列等表面結構的精細加工。

圖2.塑化后氧化石墨烯膜力學行為特征

塑化后的氧化石墨烯膜層間距從0.8 nm增加至1.3 nm，層間相互作用急劇衰減，片層的自由運動被激活。在拉伸、彎曲和剪切變形下，均表現出明顯的塑性變形行為。在拉伸變形中，塑化前后氧化石墨烯膜的斷裂伸長率從1.3%提高至10%，SEM圖像觀察到層理、屈曲和45度剪切帶等典型塑形斷裂特征結構；在彎曲變形中，塑化后的氧化石墨烯膜可以對折而不產生外表面裂紋，其主要通過內部片層的層理來耗散外界做功；在剪切變形中，塑化后的膜發生微米級的局域塑性變形。塑性因子由0.29提升至0.91。