Nano Res.[碳]│张锦院士团队:高强高界面剪切氧化石墨烯/杂环芳纶复合纤维

背景介绍

杂环芳纶纤维是一类应用广泛的高性能纤维材料,它具有轻质、高强、高韧等优异性能。但是其界面粘结性差,与基体材料相互作用弱,限制了其在高性能复合材料中的应用。传统表面改性方法又会降低纤维的拉伸性能。因此设计兼具高界面剪切强度和高拉伸强度的杂环芳纶纤维是该研究领域的难点和创新点。

成果简介

北京大学张锦院士团队通过原位聚合引入2-氯-4,4-二氨基苯酰替苯胺（DABA-Cl）和少量氧化石墨烯（GO），经过湿法纺丝连续化制备了一种具有高界面剪切强度（49.3 MPa）和拉伸强度（6.27 GPa）的新型杂环芳纶纤维。氧化石墨烯的引入促进了杂环芳纶纤维的结晶、取向，并且氧化石墨烯和聚合物分子链之间的氢键增强了分子链间相互作用，从而提高了纤维的拉伸强度和界面剪切强度。本研究工作的意义与创新点包括:解决了杂环芳纶纤维界面粘结性差的关键科学问题,拓展其应用范围。实现了高界面剪切强度和高拉伸强度的同步提升,突破了传统方法无法兼顾的局限。为设计新型高性能纤维材料提供参考,具有一定的通用性。联合界面设计、结构设计和加工技术,实现杂环芳纶纤维性能的突破和升级。采用理论分析与实验相结合的研究方法,揭示了增强机理。

图文导读

图1. 复合纤维的制备和性能。(a) 复合纤维的聚合和纺丝示意图。(b) 复合纤维的应力-应变曲线以及F3、F3-Cl和F3-Cl-GO从左到右的照片（插图）。(c) F3-Cl-GO轴向截面的SEM图像和TEM图像（插图）。(d) 不同复合纤维性能比较的雷达图。

图2.复合纤维的拉伸性能和表征。(a)F3、F3-Cl和F3-Cl-GO的SEM图。(b)F3-Cl-GO的轴向截面图像和SAED。(c)F3-Cl-GO的高分辨率TEM（HRTEM）图。(d) F3、(e) F3-Cl和(f) F3-Cl-GO的2D-WAXS图和2D-SAXS图。(g)从2D-WAXS分析中得到的复合纤维的取向程度。(h) F3、F3-Cl和F3-Cl-GO的微纤维取向偏角。(i) F3、F3-Cl和F3-Cl-GO的拉伸强度和模量。

图3. 复合纤维的界面剪切性能及表征。(a) F3、F3-Cl和F3-Cl-GO的红外光谱。(b)F3、F3-Cl和F3-Cl-GO的水接触角和表面能。(c) F3、F3-Cl和F3-Cl-GO的粗糙度。(d)微滴拔出后F3、F3-Cl和F3-Cl-GO的SEM图。(e)F3、F3-Cl和F3-Cl-GO的浸胶断裂形态。(f) F3、F3-Cl和F3-Cl-GO的应力松弛曲线。(g)F3、F3-Cl和F3-Cl-GO的IFSS。(h)浸胶后纤维的拉伸强度和模量。

作者简介

北京大学张锦院士团队 团队网站：http://jinzhangpku.bgi-graphene.com/

张锦，中国科学院院士，北京大学博雅讲席教授，国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授、英国皇家化学学会会士、中组部“万人计划”创新领军人才入选者、科技部重点研发计划项目负责人。长期致力于碳纳米管等纳米碳材料的生长机理、表征技术、制备方法以及烯碳纤维材料的量化制备和特种应用研究，在Nature 和Nat. Mater.等刊物发表论文320余篇，获授权专利30余项。荣获国家自然科学奖二等奖（两项）、全国优秀博士学位论文指导教师、中国化学会青年化学奖、教育部“新世纪优秀人才资助计划”和北京大学“十佳”导师等奖励。现任北京大学副校长、北京大学深圳研究生院院长、北京石墨烯研究院副院长和国家纳米科学中心副主任（兼）。

文章信息

Zhang Z, Jia X, Li C, et al. Simultaneously enhanced interfacial shear strength and tensile strength of heterocyclic aramid fiber by graphene oxide. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5904-7.