北京大學劉忠范院士團隊Adv. Sci.：用于柔性紅外偽裝的自支撐石墨烯織物薄膜

[引言]

石墨烯薄膜(GF)具有較高的機械柔韌性、優良的導電性和高比表面積，在超級電容器、氣體傳感器、儲氫、電極方面具有很大的應用潛力。石墨烯的合成方法主要分為兩條路線:1)由石墨烯薄片及其衍生物組裝而成的自上而下的合成;該方法使石墨烯的生產成本相對較低，但存在石墨烯厚度不可控、制造工藝繁瑣等難題;2)碳源分子由化學氣相沉積(CVD)自下而上的合成。這種方法制備的石墨烯薄膜具有質量高、均勻性好等優點。但石墨烯薄膜與襯底的緊密結合限制了其進一步的結構設計，同時不可避免的繁瑣的轉移過程也會導致石墨烯缺陷的產生和性能下降。

本文利用CVD法在SiO₂纖維上生長石墨烯的經驗，設計了一種柔性紙狀freestanding石墨烯織物薄膜(FS-GFF)。在使用鎳/銅纖維作為生長基質的情況下，由于金屬纖維直徑較大(≈100μm)，普通金屬網結構松散，可能會導致原有織物結構的退化，使其無法實現freestanding。本研究中，直徑為6μm的SiO₂纖維的致密結構保證了FS-GFF在SiO₂纖維蝕刻后仍能保持原有的織物結構。此外，根據SiO₂織物的尺寸可以得到大規模的FS-GFF。此外，柔性FS-GFF可以通過一個非常簡單的再潤濕過程附著在各種形狀的物體上。

基于這種新型FS-GFF，本文研究團隊制作了一種獨特的可調紅外偽裝柔性紡織器件。得益于這種新興FS-GFF的freestanding特性，該可調紅外偽裝器件（AIC）比其他報道的AIC器件相比，可以很容易地轉移到任何形狀的目標上，操作也很方便。

[研究進展]

近日，北京大學劉忠范院士、北京機電工程研究所的Maoyuan Li以及北京石墨烯研究院慈海娜（共同通訊）等人成功制備了一種具有特殊纖維織物結構的自支撐石墨烯薄膜，研究通過CVD技術制備了一種自支撐的石墨烯薄膜。通過使用可蝕刻的織物襯底，獲得了大規模的紙草狀的自支撐石墨烯織物薄膜（FS-GFF）。通過調節石墨烯層厚度，FS-GFF的電導率可以在50到2800 Ω sq^-1?之間。此外，FS-GFF 可以通過簡單的再潤濕操作進一步附著在各種形狀的物體上，電導率的變化可以忽略不計。基于上述優異性能，研究團隊也對其在柔性紅外器件應用前景方向進行了研究，發現FS-GFF可以組裝成具有可調紅外發射率的柔性器件，可實現復雜背景下的自適應偽裝能力。。這項工作為大規模自支撐石墨烯織物薄膜的制造提供了深刻的見解，同時促進了對柔性紅外偽裝紡織品的探索。相關成果發表在Advanced Science（“Freestanding Graphene Fabric Film for Flexible Infrared Camouflage”, DOI: 10.1002/advs.202105004）上。

[圖文介紹]

圖1.通過低壓CVD (LPCVD)策略制備出的石墨烯@SiO₂織物(G@SF)。

a) 實驗設計示意圖。

b) 800 cm× 40 cm的G@SF。

c) G@SF的面電阻圖。

d) G@SF的拉曼光譜。

e) 制作時G@SF的SEM圖像。

f) 石墨烯層的C 1s XPS光譜。

圖2.制備自支撐石墨烯織物薄膜(FS-GFF)。

a) 蝕刻和干燥過程示意圖。

b) 預制超輕FS-GFF。

c) 具有織物結構的FS-GFF的SEM圖像。

d) FS-GFF中單個石墨烯帶的原子力顯微鏡(AFM)

e) FS-GFF中單個石墨烯帶的TEM 。

f) G@SF(左)和對應FS-GFF(右)的面電阻圖。

g) 大規模FS-GFF照片。

圖3.FS-GFF 的再潤濕過程和再軟化機制。

a) FS-GFF被轉移到形狀物體上。

b) 重新軟化過程的有限元分析。

c) 有機溶液中石墨烯帶狀分散示意圖。

d) FS-GFF復濕對不同有機溶液的抗性變化。

e) 各種形狀物體上的FS-GFF。

圖4.基于FS-GFF的可調節紅外偽裝 (AIC) 柔性紡織品

a) (AIC)柔性紡織裝置原理圖。

b) 施加不同電壓后的AIC紡織器件的反射率。

c) 施加不同電壓后的AIC紡織器件的紅外發射光譜。

d) 不同電壓下AIC紡織裝置的明顯溫度變化。

e) AIC紡織設備在復雜環境下的紅外偽裝能力。

總結

在本工作中，作者利用CVD法和襯底蝕刻工藝制備了一種具有可調電導率和紅外發射率的FS-GFF。這種生長-刻蝕工藝可以進一步應用于其他具有獨特結構和性能的納米材料組裝體，這對于拓寬基于CVD的納米材料的應用范圍具有重要意義。這樣得到的FS-GFF可以通過簡單的再潤濕過程附著在各種形狀的物體上。FS-GFF具有柔韌性、重量輕、導電性好和高紅外發射率等特點，在任何形狀的物體上都具有良好的紅外偽裝潛力。所制備的AIC柔性器件的紅外發射率可在5 V的低輸入電壓下從0.79調至0.68。通過選擇性地施加電壓，FS-GFF織物在復雜的紅外背景下表現出較高的適應性。

文獻鏈接：Freestanding Graphene Fabric Film for Flexible Infrared Camouflage.?2021, Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.202105004.

本文由納米小白供稿

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.