北航在納米柔性器件先進(jìn)制造方面取得重大進(jìn)展

近日，著名雜志《Small》(IF: 9.598, Q1)與《Carbon》（IF:7.082，Q1）先后在線刊登了北京航空航天大學(xué)青年千人羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)的最新研究成果“Laser-InducedFreestanding Graphene Papers: A New Route of Scalable Fabrication with TunableMorphologies and Properties for Multifunctional Devices and Structures”與“HybridSpray-coating, Laser-scribing and Ink-dispensing of Graphene Sensors/arrayswith Tunable Piezoresistivity for in situ Monitoring of Composites”。北航2017級(jí)博士生王亞楠與2016級(jí)碩士生王勇分別為文章的第一作者，羅斯達(dá)教授為兩篇文章的唯一通訊作者，北航為唯一通訊單位。

石墨烯紙的先進(jìn)激光連續(xù)制造及多尺度形態(tài)加工

石墨烯紙（GraphenePaper, GP）作為一種超輕、超薄、高強(qiáng)、高導(dǎo)電導(dǎo)熱的自支撐宏觀二維材料，在柔性電子、智能結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能器件、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。傳統(tǒng)GP的制備主要依賴于液相組裝法，其原料昂貴、工藝繁瑣、加工效率低，不利于大規(guī)模制備與應(yīng)用。針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)以多孔聚酰亞胺纖維聚合薄膜（PI紙）為碳源，CO2為激光源，首次利用先進(jìn)激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)（Laser Induced Graphene, LIG）制備出無(wú)基質(zhì)的大尺寸石墨烯紙。研究發(fā)現(xiàn)，PI紙具有的特殊多孔層狀纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可均勻吸收激光輻照的能量，并大幅度抑制石墨化過程引發(fā)的結(jié)構(gòu)變形、松質(zhì)、破損、失焦等加工難題，因此確保了GP材料的連續(xù)大尺寸加工。圖1所展示的激光誘導(dǎo)單張GP材料（1400平方厘米），已具有實(shí)驗(yàn)室級(jí)別石墨烯紙制備的最大尺寸之一。此外，該GP材料所具備的柔性與韌性保障其可通過激光二次加工實(shí)現(xiàn)各種多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并可以和樹脂、硅膠、復(fù)合材料等先進(jìn)工業(yè)材料進(jìn)行進(jìn)一步的一體化融合制造。

通過系統(tǒng)的加工-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系探索研究，該先進(jìn)激光誘導(dǎo)GP材料具備了優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、壓阻、焦耳熱、電容、超疏水等物理化學(xué)特性，可實(shí)現(xiàn)如圖2所示的各種柔性電子器件以用于可穿戴人體/機(jī)器人動(dòng)作捕捉、高危液體監(jiān)測(cè)、油水分離，抗菌以及具有阻燃、防/除冰、狀態(tài)自感知、可低能耗在線制造的先進(jìn)航空樹脂基復(fù)合材料。本研究提出的激光誘導(dǎo)石墨烯紙技術(shù)及其低成本大面積制備、性能調(diào)控與優(yōu)化與多功能應(yīng)用可為宏觀石墨烯材料與結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備與商業(yè)應(yīng)用帶來(lái)一定的指導(dǎo)性思路與科學(xué)意義。

激光誘導(dǎo)石墨烯紙的可調(diào)控結(jié)構(gòu)、性能及多功能應(yīng)用

羅斯達(dá)教授主要從事微納傳感、柔性器件、復(fù)合材料、智能結(jié)構(gòu)健等方面的研究工作，近年來(lái)相繼在Advanced Materials、AdvancedFunctional Materials、Small、ACSApplied Materials & Interfaces、Carbon、CompositeStructures等知名期刊發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。