写于 2017-03-20 03:33:13| 金沙平台| 总汇

分层陶瓷纸:扫描电子显微照片显示复合材料中五氧化二钒和水的堆叠层材料是如此弹性和坚韧,可以弯曲(底部图像)图片来源:Advanced Materials /斯图加特大学科学家开发了一种导电纸 - 像五氧化二钒陶瓷的材料一样坚硬如铜,但又足够灵活,可卷起或折叠斯图加特的科学家目前正在做陶瓷制品,这通常会产生一堆碎片

他们是第一个生产陶瓷的人来自五氧化二钒陶瓷的纸状材料,与铜一样坚硬,但又足够柔韧,可卷起或折叠材料也与其他陶瓷不同,因为它具有导电性在由德国研究基金会(DFG)资助的项目中),来自斯图加特大学,马克斯普朗克智能系统研究所和马克斯普朗克固态研究所的科学家们共同出版由五氧化二钒导电纳米纤维组成的陶瓷纸,方便简单陶瓷纸的特殊机械性能源于其结构,类似于珍珠母的材料

该材料在电池,平板和柔性气体中的应用前景广阔人造肌肉中的传感器和执行器科学家们在过去几十年中学到的材料是大自然母亲已经实践了数百万年:通过赋予它们复杂性,将具有相当适度机械性能的材料转化为新的,极其坚硬,坚韧和有弹性的材料纳米结构在软体动物的贝壳中,例如,坚硬但脆的文石片层叠在一起,像砖块一样,并使用蛋白质“砂浆”连接,从而形成坚硬,有弹性和坚固的珍珠母贝

这种天然复合材料作为模型研究人员与ŽaklinaBurghard和Joachim Bill合作进行研究斯图加特大学材料科学研究所,斯图加特马克斯普朗克校区马克斯普朗克智能系统研究所与他们的马克斯普朗克智能系统研究所和马克斯普朗克固态研究所的同事们一起使用硬而脆的陶瓷五氧化二钒生产弹性导电纸纤维自身组装成透明的橙色纸首先,科学家根据已知的方法,用20多年的水溶性钒盐合成了五氧化二钒纳米纤维

这种陶瓷的不寻常特征是纤维导电这是可能的,因为金属氧化物链含有弱结合的电子,可以沿着它们跳跃

导电纤维组装成弹性和强力纸 - 一旦斯图加特的科学家创造了必要的条件他们分发了悬浮在其中的纳米纤维在基材上非常稀薄地浇水,然后让水膜在室温下干燥几个小时,然后在40℃下再干燥几个小时,慢慢降低气候室中的湿度

这个缓慢的过程使纤维自身聚集成精确平行的图案最后,他们在100和150°C下对薄膜进行退火,从而生产出透明的橙色纸,其厚度可通过改变所用纳米纤维溶液的量来改变(在05和25微米之间)陶瓷纸更具弹性,比珍珠母更强“纸张可以折叠成手风琴或卷起来,”ŽaklinaBurghard说,事实上,在这方面,陶瓷纸可能甚至优于其天然模型“尽管珍珠母存在在自然界中的小型螺旋海贝壳中,这种刚性的生物矿物不能像普通纸一样折叠“陶瓷纸不仅比珍珠母更具弹性,而且更硬,更有利于它电力“然而,沿着纸纤维的电导率远大于它们的电导率,”ŽaklinaBrohard说,根据科学家测量它的方向,纸的电导率变化的原因,也解释了它的显着的机械性能

材料结构的结果,是在斯图加特科学家创造的条件下自组装过程中形成的 横截面显示了一个非常像砖墙的结构纳米结构是使材料坚韧和有弹性的原因:纳米纤维层自身层叠在板块中,这些板块以交错的形式堆叠在彼此的顶部

在横截面中,材料的结构因此类似于砖墙,其中陶瓷板通过水保持在一起结构开始于纳米纤维的组装,这在斯图加特项目之前是已知的

纤维由两个五氧化二钒层组成,其间有一层水

纤维横向堆叠在一起,形成板坯板坯也横向堆叠,但交错堆叠在一起,使得层状材料的结构可能类似于横截面的砖墙,其中五氧化二钒平板构成嵌入水层中的砖块,像砂浆一样围绕它们

这种特殊纳米结构中的硬质陶瓷和软水的组合使得纸张坚硬,坚固,柔韧也导致纸面高导电性和低面外导电性但是,电流不仅通过沿纳米纤维移动的电子传输,还通过水层中的离子传输因此,纸张的电性能和机械性能根据水含量而变化通过对材料进行干燥和退火,科学家们主要去除弱结合水,使陶瓷纤维形成更密集的结构,因为这也加强了粘结在纳米纤维之间,它使纸张更硬更坚固潜在的应用:电池,气体传感器和人造肌肉“由于其出色的机械性能,结合电气和化学特性,陶瓷纸适用于众多不同的应用,”Burghard例如,离子可以掺入五氧化二钒纤维和平板之间,这样就可以了使纸张适合作为电池的电极材料“由于纸张的结构是规则和均匀的层,离子可以在特定的面内方向有效地移动,”ŽaklinaBurghard解释说,带有陶瓷纸电极的电池因此可以快速充电,但是快速放电以允许高电流密度工业已经表现出对在可充电电池中使用纸张的浓厚兴趣此外,其容纳离子的能力使得陶瓷纸对其他领域具有吸引力因为电子可以在氧化钒中更容易移动分子相互作用,它也适用于气体传感器由于小的氧化钒核,已经减少到几微米,仪器可以做得更小

此外,陶瓷纸可以赋予人工肌肉生命当外来离子积累在复合材料,它膨胀作为由插入颗粒数量控制的致动器,陶瓷纸可以将物体推到或拉到微观尺寸“在陶瓷纸中,我们结合了两个世界中最好的一个,”ŽaklinaBrohard说:“五氧化二钒的多功能化学性质和珍珠母的机械性能,这是一项经过数百万年优化的材料“然而,她的团队无意停留在那里:科学家们希望将陶瓷纸与其他材料结合起来,为其提供更多功能和更好的性能出版物:Zaklina Burghard,Andreas Leineweber ,Peter A van Aken,Thomas Dufaux,Marko Burghard和Joachim Bill,“高刚度的氢键增强的vanadia纳米纤维纸”,Advanced Materials,2013年3月7日; DOI:101002 / adma201300135资料来源:Max Planck Institute图片:Advanced Materials / Stuttgart University