Nano Lett. : 在金屬氧化物滲透圖案化雜化聚合物納米復合材料中的超高彈性應變儲能

【引言】

彈性模量（材料儲存和釋放彈性應變能的能力量度）對于在微/納機電系統中實現先進的機械致動技術至關重要。一般來說，設計彈性模量很困難，因為它需要不對稱地增加屈服強度和楊氏模量，以抵抗它們的相互縮放行為。如果需要在納米尺度上進行，這個任務變得更具挑戰性。 本文展示了有機-無機雜化復合納米柱利用每個密度的最高回彈模量在光刻圖案化的負性光刻膠SU-8中氣相氧化鋁滲透。原位納米的力學測量揭示了該材料類似金屬的高屈服強度（?500 MPa），具有非常低的泡沫狀楊氏模量（~7 GPa），其產生超高彈性模量，達到?24 MJ / m³，單位密度彈性模量約為13.4 kJ/ kg，優于大多數工程材料。 該混合聚合物納米復合材料輕質、彈性模量超高可調，并具有多功能納米級平版印刷圖案，擁有作為需要超高機械彈性和強度的納米機械組件應用的潛力。

【成果簡介】

材料中彈性應變能的存儲和釋放及其機械強度在自然和工程機械驅動系統中起著重要作用，包括負責動物快速和高動力運動的生物組織以及高性能的微/納機電系統（MEMS / NEMS）諧振器和致動器。 許多新興技術也取決于機械能儲存和釋放的有效使用，例如替代能源系統和用于機器人運動和運動的人造肌肉。 彈性模量（R）（單位：J / m³）在塑性變形開始之前測量，表示單位體積的材料中儲存彈性應變能的能力。 以R（R）為標準化，R（R_s）也是重要的機械設計參數，代表單位重量的彈性應變能量儲存能力（單位：（J / m³）/（kg/m³）= J /kg）。為了在線性彈性固體中獲得增強的R，需要材料中的高屈服強度（σ_y）和低楊氏模量（E），但是工程這樣的σ_y -E組合很難做到，因為兩種性質通常一起增強。

近期，來自康涅狄格大學的Chang-Yong Nam和Keith J. Dusoe（共同通訊作者）等人在Nano Lett. 上發表了一篇題為“Ultrahigh Elastic Strain Energy Storage in Metal-Oxide-Infiltrated Patterned Hybrid Polymer Nanocomposites”的文章。該研究克服了上述問題，并通過獨特的σ_y，E和ρ組合來生成帶圖案的雜化納米復合材料，通過連續滲透合成，以原子衍生的有機-無機雜交技術，實現超高R和高強度R_s層沉積（ALD）。不同于典型的ALD工藝，其依賴于襯底上的氣態前體的自限表面反應，滲透合成允許前體滲透到聚合物模板中以形成嵌入在有機基質內的無機材料。這種新型的納米復合材料已被證明可用于增強聚合物的各種物理、化學性能，包括機械強度。

【圖文導讀】

圖1 合成納米復合材料SU-8納米柱的示意圖及其性能

（a）通過滲透合成制造AlO_x滲透雜化納米復合材料SU-8納米柱的示意圖。

（b）AlO_x滲透SU-8納米柱（假色）陣列上的原位納米力學測試尖端的SEM顯微照片，和單個納米復合SU-8納米柱（插圖）的放大圖。

（c）SU-8的代表性應力 - 應變曲線。

（d），（e）相對于施加的AlO_x滲透合成循環次數，測量SU-8納米柱的σ_y和E。

圖2??具有高機械彈性的特性圖

（a）修改的強度與E Ashby圖。

（b）對于300 nm直徑的SU-8納米柱（實心正方形），計算的R相對于所施加的AlO_x滲透合成循環次數。

圖3??SU-8薄膜的顯微照片

（a）在16次AlO_x滲透合成循環之后交聯的SU-8薄膜的橫截面明場TEM顯微照片，右圖顯示AlKαEDXS線掃描剖面。

（b）SU-8薄膜的AlO_x滲入部分的高分辨率明場TEM顯微照片，右上方顯示非晶致密層的放大圖。

（c）通過原位QCM測量獲得的相對于AlO_x滲透合成循環次數的質量增益特性。

圖4? AlO_x滲透SU-8納米柱的力學性能

（a）在三種不同位移速率下，16個循環的AlO_x滲透的SU-8納米柱測量的壓縮應變 - 應力曲線。

（b）在16次循環的AlO_x滲透的SU-8納米柱的壓縮應變和卸載期間原位獲得的時間消逝的視頻幀。

（c）SU-8納米柱在循環彈性加載/卸載實驗期間，測量的應變/應力與時間數據。

圖5 復合材料的楊氏模量

在AlO_x滲透的SU-8納米柱中，復合材料的楊氏模量與AlO_x簇填料的體積分數的函數關系圖以及它們與Halpin-Tsai和Hashin-Shtrikman模型的比較。

圖6 復合材料的內部構造及高彈性機理

在沒有機械應力（左），壓縮彈性應力（中）和恢復形變的情況下，（a）未滲透的交聯SU-8和（b）AlO_x滲透的SU-8聚合物基質的內部結構的示意圖。

【小結】

研究人員提出了新型的有機-無機雜化納米復合材料，通過氣相滲透分子尺度的AlO_x填料進入平版印刷的SU-8聚合物模板。原位納米力學測試表明，這種材料已經實現了金屬樣高σ_y（> 500 MPa）和泡沫樣低E（<10 GPa），這是已知的工程材料中獨特的配合，并導致其中一種最高的彈性儲能釋放能力與高強度相結合，比典型工程高出約4個數量級合金。 此外，以傳統半導體加工（即ALD）和多功能光刻圖案性的可擴展實施為特征，所開發的聚合物納米復合材料打開了新的納米機械應用，尤其在可調超高機械彈性方面。

文獻鏈接：Ultrahigh Elastic Strain Energy Storage in Metal-Oxide-Infiltrated Patterned Hybrid Polymer Nanocomposites（Nano Lett.，2017， DOI: 10.1021/acs. nanolett.7b03238）

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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