北航：強度436MPa，楊氏模量14GPa！高強高導二維材料

編輯推薦：將優異的機械和電學性能集成到MXene基板中仍然是一個很大的挑戰。本文製備的MXene (SBM)板材抗拉強度為436 MPa，韌性為8.39 MJ/m3，楊氏模量為14.0 GPa，還具有高導電性和非凡的電磁屏蔽效能。經過100次360度摺疊後，可以保持原有電導率的78.5%和原有抗拉強度的87.2%。這種高性能MXene複合材料，在柔性電子器件和航空航天領域具有潛在應用前景。

MXene材料是一類具有二維層狀結構的金屬碳化物和金屬氮化物材料,其外形類似於片片相疊的薯片。碳化鈦(Ti3C2Tx) MXene具有優良的導電性和機械性能，在航空航天和柔性電子領域具有很大的應用潛力。然而，將MXene納米片組裝成宏觀高性能納米複合材料具有挑戰性，從而限制了MXene的實際應用。近日，來自北京航空航天大學的陳群峰等研究者，通過氫鍵和離子鍵的順序橋接製造了高強高導電的MXene薄片。相關論文以題為「Strong sequentially bridged MXene sheets」發表在PNAS上。

論文連結：

https://www.pnas.org/content/early/2020/10/20/2009432117?cct=1736

碳化鈦(Ti3C2Tx) MXene，二維過渡金屬碳化物，是一個新興有前途的功能材料，由於其優異的機械和電氣性能，可用於靈活的電子設備，航空航天，如超級電容器、鋰離子電池、電磁幹擾(EMI)屏蔽等眾多領域中。表面極性官能團(Tx)，如-F，=O和-OH，使MXene納米片易於通過氫鍵、離子鍵和共價鍵連接。

2011年發現的MXene納米片，通過各種界面相互作用，被人們大量地組裝成宏觀的高性能MXene基納米複合材料。例如，各種聚合物或納米材料與含氧極性基團，如聚乙烯醇(PVA)、殼聚糖、海藻酸鈉(SA),聚(材料間是的運動)聚(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS)、纖維素納米纖維(CNF),芳綸納米纖維(ANF)、蒙脫石、石墨烯氧化物，由氫鍵引入MXene夾層，改善了MXene片的機械性能。Liu等人使用離子交聯來增強MXene片。Shen等人通過共價橋接鄰近的MXene小塊來提高MXene片材的附著力和剛度。然而，這些策略通常只會以電導率的大幅降低為代價，對MXene-基板的力學性能造成輕微的改善，限制了它們的實際應用。例如，MXene-PVA片材具有中等的拉伸強度91 MPa，但極低的導電性僅為0.0004 S/cm。

最近，一種質子酸膠體處理方法被證明可以促進MXene薄片的電學和力學性能，但是由於薄片間的連接性較弱，所獲得的抗拉強度(102 MPa)遠低於此前報導的最強的MXene-CNF薄片(341 MPa)。因此，儘管取得了一些進展，但將優異的機械和電學性能集成到MXene基板中仍然是一個很大的挑戰。

在這項工作中，研究者報導了通過順序橋接過程構建高性能的MXene基板，其中MXene納米板首先通過氫鍵與SA橋接，然後通過離子鍵與鈣離子(Ca2+)橋接生成雜化的MXene-SA構建塊。順序橋接MXene (SBM)板材的平面抗拉強度為436 MPa，韌性為8.39 MJ/m3，楊氏模量為14.0 GPa，分別是純MXene板材的6.9倍、13.5倍和2.5倍。此外，SBM薄片具有高導電性(2,988S/cm)和非凡的歸一化EMI屏蔽效能(SE) (58,929dB·cm2/g)。在最大拉應力水平為245MPa時，SBM片材的疲勞壽命超過2×105次。經過100次360度摺疊後，SBM片材可以保持原有電導率的78.5%和原有抗拉強度的87.2%。在潮溼環境下，它們也表現出優異的長期電氣穩定性。分子動力學(MD)模擬表明，同時提高拉伸強度和韌性是由於有效的載荷轉移和MXene納米薄片的大滑移。

圖1 SBM薄片的製備與結構表徵。

圖2 SBM薄片的XRD和光譜表徵。

圖3 SBM板材的機電性能。

圖4 SBM薄片的斷裂機理。

圖5 SBM片材抗重複拉伸、拉伸和摺疊造成的機械損傷，以及在潮溼環境下的長期電氣穩定性。

綜上所述，研究者證明了氫和離子鍵合劑的連續應用可以優化韌性、抗拉強度、潮溼環境下的抗氧化性，以及抗超聲解體和機械破壞。這些MXene片材的抗拉強度高達436 MPa。這裡的順序橋接工藝可用於組裝其他MXene納米片，形成高性能MXene複合材料，在柔性電子器件和航空航天領域具有潛在應用前景。（文：水生）

本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。