通過共混紡輔助冷凍鑄造的可定制彈性多功能石墨烯氣凝膠

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通過共混紡輔助冷凍鑄造的可定制彈性多功能石墨烯氣凝膠的圖2


石墨烯氣凝膠因其獨特的物理特性而備受關注,但其較差的機械特性和功能性的缺乏阻礙了其先進應用。近期,新加坡國立大學Yong Yang、Wei Zhai等研究人員提出了一種混合-紡絲輔助冷凍鑄造(BSFC)策略,將顆粒改性碳纖維加入石墨烯氣凝膠中,以實現機械強化和功能增強。這種方法為創造可定制的多材料、多尺度結構石墨烯氣凝膠提供了極大的自由度。例如,我們制造了 碳化硅顆粒改性碳纖維增強石墨烯(SiC/CF-GA)氣凝膠。所制備的氣凝膠具有超輕、高彈性、抗疲勞壓縮(50%應變下1000次循環)等優異性能。同時,增強的彈性激發了 SiC/CF-GA 氣凝膠的有效應變傳感能力,其靈敏度高達13.8 kPa -1。由于加入了碳化硅顆粒,氣凝膠的介電性能可調,因此具有寬帶(8.0 GHz)有效電磁波衰減性能。此外,還可以通過 BSFC 策略在石墨烯氣凝膠中加入不同的顆粒,從而實現可定制的設計。此外,改性氣凝膠還具有多功能性,包括吸音、隔熱、防火和防水,進一步豐富了其實用性。因此,BSFC 策略為制造改性石墨烯氣凝膠的先進功能應用提供了定制解決方案。相關研究成果以“Customizable Resilient Multifunctional Graphene Aerogels via Blend-spinning assisted Freeze Casting”為題發表于《ACS Nano》。

通過共混紡輔助冷凍鑄造的可定制彈性多功能石墨烯氣凝膠的圖3

圖1. (a) 混合-紡絲輔助冷凍鑄造 (BSFC) 策略示意圖。(b) TEM 圖像顯示嵌入纖維并被皺褶石墨烯片包裹的碳化硅顆粒。(c) 由交錯的 SiC/CF 加固的改性石墨烯片的微觀結構。(d) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的 XRD 圖。(e) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的拉曼光譜。SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠 (f) 縱向和 (g) 橫向的 SEM 圖像。光學圖像顯示通過 BSFC 策略改性的氣凝膠的(h)超輕和(i)自由成型的宏觀結構。

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圖2. (a) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠沿橫向不同壓縮應變(40%、60% 和 80%)時的應力-應變曲線。(b) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠在 50%壓縮應變下沿橫向循環 1000 次的應力-應變曲線。(c) SiC/CF-GA 氣凝膠壓縮變形機制示意圖。(d) 演示在使用 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的閉合電路中,LED 燈在壓縮和釋放條件下的亮度變化。(e) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠在0至 11.9千帕工作壓力下的相對電流變化(ΔI/I0)曲線。(f) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠傳感器在 80% 壓縮應變下壓縮 600 秒之前和之后的相對電阻變化(ΔR/R0)響應。(g) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠傳感器在以 200 毫米/秒的加載-卸載速度承受階梯式遞增壓力時的 ΔR/R0 響應。(h) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠傳感器的循環應變傳感行為。(i) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠傳感器在手指彎曲運動實時監測中的應用。

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圖3. (a) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的反射損耗 3D 圖。(b) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的介電損耗正切。(c) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠厚度為 2.7 毫米時的阻抗匹配度。(d) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠石墨烯薄片的元素映射圖像、TEM 圖像和 HRTEM。(e) SiC/CF-GA 氣凝膠的電磁波衰減機制示意圖。(f) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠與已報道的碳基氣凝膠的 EAB 和填充量比較。

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圖4. (a) 改性石墨烯氣凝膠的多尺度構型。(b) Co/CF-GA、(c) Fe/CF-GA、(d) ZrO2/CF-GA、(e) Si3N4/CF-GA 和 (f) TiO2/CF-GA 氣凝膠,包括 (i) 掃描電鏡圖像、(ii) 元素映射圖像和 (iii) XRD 圖。(g) 與主流石墨烯基材料相比,SiC/CF-GA 氣凝膠的總體評價雷達圖。

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圖5. (a) 不同厚度 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的噪聲吸收系數。(b) 不同厚度 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的 NRC 值比較。(c) 不同厚度的 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠與其他已報道的噪聲吸收劑的特定 NRC 值比較。(d) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的噪聲吸收光譜,覆蓋了很寬的頻帶。(e) SiC/CF-GA 氣凝膠的噪聲吸收機理。(f) 10毫米 SiC/CF-GA 1:1氣凝膠在 225 °C 下在加熱板上的紅外熱圖像。(g) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠在火焰上燒30分鐘的圖像。(h) 水滴在 SiC/CF-GA 1:1氣凝膠頂部的圖像。

END



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