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| 科學(xué)家研制出既堅韌又柔軟的導電陶瓷紙 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2014-11-04 10:36:08 瀏覽次數： |
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 （中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）通過(guò)過(guò)去幾十年的研究，材料科學(xué)家了解到，數百萬(wàn)年來(lái)大自然通過(guò)把具有適當機械性能的材料納米化，將其轉化為新的、具有優(yōu)異硬度、韌性和彈性的新材料。例如，在軟體動(dòng)物的殼中，硬脆的文石板像磚塊一樣疊加，并通過(guò)某種蛋白質(zhì)砂漿粘合在一起，從而得到兼有彈性和硬度的珍珠母貝。
來(lái)自斯圖加特大學(xué)材料科學(xué)研究所的Burghard和Joachim Bill團隊以這種天然復合材料為模型進(jìn)行了研究。他們與馬普研究所智能系統方向和固態(tài)研究方向的同事一起，使用硬脆且的五氧化二釩陶瓷生產(chǎn)出了彈性?xún)?yōu)異的導電紙。
最初，科學(xué)家們是根據近20年來(lái)已知的固定程序，用水溶性釩鹽來(lái)合成五氧化二釩納米纖維。所得的纖維可以導電，這是其非比尋常的特點(diǎn)。這可能是由于其中的金屬氧化物鏈對電子的束縛能力很弱，使其中電子可以自由移動(dòng)。
一旦創(chuàng )造出必要的條件，導電纖維就可以聚集成具有良好彈性和強度的紙張?？茖W(xué)家們將納米纖維分散在水中，薄薄的附在基底上，然后使水層膜在室溫下干燥，接著(zhù)在40℃下放置幾小時(shí)，同時(shí)緩慢降低氣候室中的濕度。這一緩慢過(guò)程使纖維能夠整齊的平行聚集。最后，將薄膜在100和150℃下退火，這就生產(chǎn)出了透明的橙色紙，我們還可以通過(guò)改變納米纖維溶液的數量來(lái)改變這些紙的厚度。
Burghard指出“這種紙既可以折又可以卷”。在可以折或卷這一方面，陶瓷紙甚至要優(yōu)于它原有的自然模型。“盡管自然界中珍珠母貝存在于小的螺旋貝殼中，但這種生物礦物并不能像普通的紙那樣折疊。”陶瓷紙不僅比珍珠母貝的彈性好，而且硬度也要好些。更重要的是，陶瓷紙能夠導電。Burghard 補充道“然而，纖維中的導電性要遠遠優(yōu)于纖維間的導電性。”
在特殊納米結構中的硬質(zhì)陶瓷和軟水的結合使這種紙硬度高、強度大且可彎曲。這也使其具有較高的面向電導率以及較低的法向電導率。然而，導電性不僅是由沿納米纖維方向移動(dòng)的自由電子來(lái)傳送，陶瓷間的水層中的離子也可以導電。
導電性和機械性能都隨著(zhù)含水量的改變而變化。通過(guò)對材料進(jìn)行干燥和退火處理，科學(xué)家們移去了弱的結合水以使陶瓷纖維形成致密結構。由于這加強了納米纖維間的結合，從而使陶瓷紙具有更高的硬度和剛度。
正如Burghard所說(shuō)：“由于陶瓷紙具有優(yōu)異的機械性能、良好的導電性和化學(xué)性能，使其具有廣泛的應用。”例如，五氧化二釩纖維和片層中的離子可以結合在一起，這使陶瓷紙很適合用于電池中的電極材料中。Burghard解釋說(shuō)“由于陶瓷紙內部是規則均勻的層狀結構，離子可以在面內某一特定方向有效移動(dòng)。”使用陶瓷紙作電極的電池也因此能夠快速充電，但在高電流密度時(shí)同樣會(huì )快速放電。工業(yè)上人們對在可充電電池中使用陶瓷紙這一方法已經(jīng)是非常感興趣的了。
此外，陶瓷紙的調節離子能力在其他領(lǐng)域也很吸引人。五氧化二釩中的電子由于分子間作用力可以更好的移動(dòng)，它也適用于氣體傳感器。由于氧化釩的原子核較小，只有幾微米，儀器就可以更小了。另外，納米紙能夠使人工肌肉具有活性。當外來(lái)離子在陶瓷紙中聚集時(shí)，陶瓷紙會(huì )擴張。作為由插入顆?？刂频尿寗?dòng)器，陶瓷紙可以推拉微觀(guān)尺寸的對象。
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