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2016年11月11日 星期五 09:15:33
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石墨烯在智能纺织品中如何应用?诺贝尔物理学奖获得者为您答疑解惑

发表时间:2020/11/8

在第八届江苏(盛泽)纺织品博览会暨第二十一届中国盛泽丝绸旅游文化节举办之际,10月29日,2020国际先进功能性纤维时尚可持续高峰论坛在“丝绸古镇、纺织名城、时尚之都”——苏州市吴江区盛泽镇拉开帷幕。本次大会以“新活力 · 新动力 · 新潜力”为主题,以“国际性、前瞻性、导向性、时尚性”为基调,邀请行业人士共话功能纤维创新,畅想纤维发展前景。


图1 Konstantin Novoselov教授发表视频演讲


2010年诺贝尔物理学奖获得者、英国皇家科学院院士、英国国家石墨烯研究院首席科学家、英国曼彻斯特大学荣誉教授、新加坡国立大学教授Konstantin Novoselov发表了题为《石墨烯在智能纺织品中的应用》的视频演讲(图 1),基于其多年来对石墨烯的研究成果与经验,介绍了石墨烯的性能特点、制备方法及其在柔性电子和智能纺织品中的应用实例。


什么是石墨烯?

聚焦石墨烯的性能特点及制备方法


石墨烯的结构是碳原子紧密堆积而成的单层二维蜂窝状晶格结构(图2),虽然结构简单,但却拥有诸多优点。它是目前最薄的材料之一,具有良好的导电导热性、优异的柔性强度……石墨烯集合了上述所有优点于一体。石墨烯的相关性能使其具有前景广阔的应用领域,例如复合材料、薄膜、柔性电子、能源、生物应用等,其中很多相关应用均已面市。


图 2  石墨烯的结构


关于石墨烯的制备方法,最初的研究方式是对石墨采取机械剥离法,但这种方式并不具有可持续性,而且从石墨中提取的石墨烯可控性较差。随后,Konstantin Novoselov教授的研究团队发明了更多分离石墨烯的新方法,根据预算多少、对成品质量的需求,可以采用不同方法进行大规模生产。例如采用自上而下的液相剥离法(LPE),这种方法和机械剥离有异曲同工之处,通过破坏石墨层与层之间的范德华力来制备石墨烯。另一种方法是化学气相沉积法(CVD),即利用含碳化合物作为碳源,通过其在基体表面的高温分解生长出石墨烯;此外还有许多其他的制备方法。这些大规模生产制备方法的研发成功,使石墨烯在电子、复合材料、能源和生物等现代技术领域的应用越来越多样化。


石墨烯如何应用(一)?

聚焦石墨烯复合材料的应用案例


石墨烯的发展路径与碳纤维、碳纳米管的发展路径十分相像,首先研究人员将其作为复合材料应用在运动产品中,从而使专业人员发挥出高水准表现,例如轻量化网球拍。2017年,理查德米勒(Richard Mille)携手McLaren打造了一款世界上最轻(32g)、最昂贵的手表,运用石墨烯材料和极尽镂空的部件,实现了空前的超轻重量,价值100万法郎(图 3)。


图 3  Richard Mille携手McLaren打造了世界上最轻、最昂贵的手表


同时,Konstantin Novoselov研究团队与英国汽车制造商合作,生产了一款世界上最轻、时速快、造价高的汽车(图 4),其中采用了石墨烯基复合材料作为车身。选择采用石墨烯的原因不仅仅因为其材料的高强度,或是其可以减轻车身重量,还因为石墨烯成品的高导热性能可以加快零件散热的速率。几年前,有一半的福特车型引擎盖下的组件采用了与石墨烯混合的泡沫材料,然而最初的意外决定,使研究人员发现石墨烯材料可以提升汽车引擎的降噪性能。


图 4  Konstantin Novoselov研究团队与英国汽车制造商合作生产的汽车


石墨烯如何应用(二)?

聚焦石墨烯在跨界领域的科技应用


石墨烯的热传导率高达1000 W/(m · K),远超过其他材料的热传导率,因此被广泛应用于热量管控领域,可用于手机或其他新的应用中,例如华为公司就看中了石墨烯优异的热量传导管控性能,并加以应用。

近日,Konstantin Novoselov研究团队开始研究石墨烯的光电子应用,其中最具前景的应用是光电探测器。它是由石墨烯与量子点电荷传感器制成的,通过对量子点施加一定光压,可感应到电荷的存在;加入石墨烯可以快速地与其他组件相集成,并具有高感应度。同时,石墨烯与不同组件相集成的复合材料可以用在自动驾驶领域,具有广阔应用前景。

近期,硅光子技术越来越多地应用在电讯领域。通过研究发现,12μm的圈环可以大大提升信号传输速度,并可制作成不同的器件,其中石墨烯发挥着举足轻重的作用,其高载流子迁移率可大大提升无线电信号的速度。目前,基于相位调制器的电讯装置已经面世,并被世界上诸多领先企业投入试验使用。

此外,石墨烯还可用于生物学中的生物传感应用领域,通过对表面进行石墨烯改性处理,使其可以感应特定情景;也可以链接基本的石墨烯材料以抵抗病毒(图5),这点对于疫情肆虐的当下尤为重要。


图 5  链接石墨烯材料以抵抗病毒


石墨烯如何应用(三)?

聚焦石墨烯在智能纺织品上的应用


Konstantin Novoselov研究团队加大了石墨烯相关领域的研究力度,并将相关研究成果应用在智能纺织品或个人防护装备上。

石墨烯可应用于打印RFID标签以及纺织品上,其具有多种存在形式,如石墨烯粉末、石墨烯悬浮液或石墨烯导电浆料等,用来制作各种各样的电子配件。应用于可打印的RFID标签时,通过采用石墨烯导电浆料打印出的H型标签或UH型标签均有不俗表现,但很难使用其他二维材料打印出这种类型的标签(图6)。


图 6  可打印的RFID标签


为什么选择石墨烯?


其原因主要有以下几点:

(1)石墨烯导电浆料可以直接印刷在纸张上,无需其他操作;

(2)技术具有生态环保性;

(3)该材料具有良好的柔韧性;

(4)最重要的是可打印技术具有灵活可变性,减少了传统铝蚀刻所造成的浪费;使材料成本和技术成本最小化。基于此,已经有企业开始生产绿色环保的石墨烯RFID标签(图7)。不需要使用太多设备,不会产生过多材料浪费,只需要使用很少量的石墨烯导电浆料,再次彰显了该项技术的价格合理性以及生态友好性。


图 7 企业生产绿色环保的石墨烯RFID标签


除此之外,还有许多其他的应用可能性,RFID应用中需要在电子标签中集成传感器,如温度传感器、湿度传感器、电传感器、压力传感器、磁感应传感器等;并且可尝试使用改性传感器,集成不同的信号,传导不同的结果。

例如采用了石墨烯改性纱线制成面料,使其可以感知温度。石墨烯材料具有稳定性,可用于成衣使用或可穿戴服装中。Konstantin Novoselov研究团队做了一项实验,将吹风机置于石墨烯RFID标签的上方使其升温,虽然没有和电脑相连,仅仅放在电脑旁边就可以将相关温度信息传输到电脑上(图 8);将手指放在标签上面,可以良好地感知到温度的升降;说明了石墨烯RFID标签优良的传感性能。


图 8  将吹风机置于石墨烯RFID标签的上方使其升温


石墨烯与纺织品还可以如何结合应用?


一般有两种结合应用方式:

(1)可采用还原氧化石墨烯溶液对纤维进行改性浸涂处理,烘干后可得到石墨烯改性纤维;对纱线进行石墨烯涂层处理后,获得的功能性纱线可用于传感器或是连接传导。

(2)在面料表面直接涂覆,之后通过轧压工艺强化涂层,工艺的选择主要取决于最终的应用领域。这两个方式均可以用于如智能纺织产品的传感器、可穿戴电池或RFID标签上,起到连接作用。

此外,运用石墨烯传感器还可以感应到压力变化(图 9),例如将传感器放置在衣服的不同位置,当躯干弯曲时,传感器输出的曲线也会随之发生变化,因此可以轻松地根据曲线判断阻力所发生的变化,依此衡量活动中胳膊或肘部的阻力大小。传感器可以感知的阻力变化范围高达10%,这种方式远比电子器件衡量法更舒适;并且水洗后的传感器测试结果并没有太大变化。


图9  石墨烯传感器还可以感应到压力变化


石墨烯有什么特别之处呢?

石墨烯是零带隙半金属材料,这就意味着这些点之间不同寻常的带隙能赋予它与众不同的电子性质,石墨烯带隙所具有的特性可以更好地为大家所用。例如,当测量石墨烯的光学特性时,它具有非常宽的光吸收频谱,这一特性尤为重要,由于泡利阻塞原理,石墨烯的带间跃迁被阻止;此时石墨烯的光子带易于饱和,光子能够无损耗地通过,即使在非饱和状态石墨烯也可以改变空间入射光的反射系数以及材料的吸收特性,这一点通常会应用在纺织品生产中。首先在背面涂有导电涂层的织物表面沉积多层石墨烯,在石墨烯层和导电涂层施加电压后,导电涂层中的电解质电离出的离子经过织物可逆地进入石墨烯层中,使得石墨烯的分子团相互摩擦、碰撞,从而改变织物的反射性能,并由此改变其表面温度。同时,由于石墨烯的柔软特性,可以轻松地将其弯折。当使用红外摄像机测量温度时,不施加电压时却测量到了温度表现;而当施加电压时,其表观温度不是实际的温度,并且实际温度不随表观温度的变化而改变。


如何将石墨烯与面料相结合?

由于石墨烯是晶体结构,不能直接拉扯,因此可生产具有弹力的面料,先将面料拉伸开,随后将石墨烯附在面料表面,石墨烯十分柔软,可直接按压;当拉伸面料时,表观温度也随之变化(图10)。


图10  石墨烯与面料相结合


因此,相关材质可以用在一些更复杂的应用上,通过改变电极的排布,通以不同大小的电压,赋予不同的性能,应用于服装上具有快速改变穿戴者表观温度的功能;并且相关变化只能通过红外设备才能看到不同波长所传递的信息,可以将这项新技术应用在保密通信领域,只能在特定环境如红外摄像头下才可以读取相关消息(图11)。


图11  应用于服装上可以快速改变穿戴者表观温度


目前,石墨烯材料已经用于纺织品领域之中,相关的需求将出现增长。任何新的应用都需要研究如何对石墨烯进行改性处理,如何使其满足功能化应用,因此相关的配方和生产工艺需要同步升级。同时,一些其他的二维晶体材料也开始进入市场,如作为传感器进行使用等。Konstantin Novoselov教授认为前景最好的应用领域为可穿戴电子器件、传感器、可穿戴电池以及互连线等。


(来源:纺织导报官微)


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