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北京大學Jin Zhang/ Xin Gao/Kun Jiao等--用于屏蔽電磁干擾的結構功能集成石墨烯-Skinned芳綸纖維
       具有令人興奮特性的結構-功能一體化的聚合物纖維在下一代技術中的重要性日益增加。在此,報告了具有高導電性、高強度和輕質特點的結構功能集成石墨烯-Skinned芳綸纖維(GRAF),該纖維編織后可有效屏蔽電磁干擾(EMI)。以芳綸聚陰離子(APA)為粘合劑和蝕刻劑,通過浸涂策略將石墨烯自組裝到芳綸纖維表面。分子動力學(MD)模擬結果表明,APA 改性芳綸鏈與石墨烯的結合能(1.3 J/m2)高于芳綸鏈與石墨烯的結合能(0.2 J/m2)。APA具有更高的表面能(55.2 mJ/m2),可以蝕刻纖維表面,形成凹槽,從而使石墨烯能夠有效吸附并自組裝到纖維表面。GRAF 的導電率高達 1062.04 ± 116.78 S/m,同時具有出色的強度(4.66 ± 0.16 GPa)和模量(106.33 ± 8.21 GPa),優于大多數已報道的導電復合纖維(如天然纖維、聚合物基纖維、無機纖維等)。使用結構功能集成GRAF編織的功能織物在 X 波段的電磁干擾屏蔽效率(SE)高達67.86 dB,在12 V電壓下可在 40 秒內迅速加熱至 200 °C。此外,GRAF 織物在長期洗滌后仍能保持導電性,顯示出卓越的耐洗滌性。這項研究展示了一種制造結構功能集成材料的有效方法,并顯示了碳烯纖維用于 EMI 屏蔽的前景。
  
 
Fig 1. GRAF 的制備過程及其在電磁防護中的應用示意圖。 AF 是芳綸纖維;APA 是芳綸聚陰離子;APAF 是 APA 改性芳綸纖維;GRAF 是石墨烯護膚芳綸纖維。
 
 
Fig 2. GRAF 的特征。(a) AF、(b) APAF 和 (c) GRAF 的 SEM 圖像。(c) 中的左側插圖是 AF 和 GRAF 的照片。(d) GRAF軸向截面的SEM照片。(e, f)GRAF 軸向橫截面的 TEM 圖像。(g) 石墨烯粉末和 GRAF 的拉曼光譜。(h) AF、APA、APAF 和 GRAF 的 FTIR 光譜。(i) 涂布后 APAF 和 GRAF 的增重比。
 

Fig 3. APA 粘合劑層的工作機制。(a) AF、GAF 和 GRAF 的 OM 圖像。(b) AF、APAF 和 GRAF 的粗糙度。(c) AF、APAF、GRAF 和 APA 的表面自由能和水接觸角。(d) AF、APA 和 APAF 與石墨烯相繼吸附的分子動力學模擬。(e) AF 鏈和石墨烯(綠點)、APAF 鏈和石墨烯(粉點)、APA 鏈和石墨烯(藍點)的結合能。
 

Fig 4. 設計的 GRAF 的機械和電氣性能。(a) 不同纖維的應力-應變曲線。(b) 不同纖維的拉伸強度和 Young 模量的比較。(c) 不同纖維的斷裂伸長率和韌性比較。(d) 不同纖維的電導率曲線。(e) 不同洗滌時間纖維的電導率比較。(f) 不同導電復合纖維和我們制備的纖維的導電性和拉伸強度的比較。
 

Fig 5. GRAF 織物及其電磁干擾屏蔽性能。(a) 數碼照片,(b) SEM 圖像,以及 (c) GRAF 織物的薄層電阻映射。(d) 8.2–12.4 GHz 頻率范圍內各層 GRAF 織物的 EMI 屏蔽性能。(e) GRAF 織物的功率系數 AR 和 T。(f) 不同層的 GRAF 織物的 SET、SER 和 SEA 值。(g) GRAF 織物的 EMI SE/含量與已報道的不同厚度的 EMI 屏蔽材料的比較。(h) GRAF 織物的 EMI 屏蔽機制。
 
       相關研究工作由北京大學Jin Zhang/ Xin Gao/Kun Jiao等人于2024年在線發表在《ACS NANO》期刊上,Structural–Functional Integrated Graphene-Skinned Aramid Fibers for Electromagnetic Interference Shielding,原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11782

轉自《石墨烯研究》公眾號
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