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前端技術

科學家研制出既堅韌又柔軟的導電陶瓷紙

來源：中國粉體技術網更新時間：2014-11-04 10:36:08 瀏覽次數：

（中國粉體技術網/班建偉）通過過去幾十年的研究，材料科學家了解到，數百萬年來大自然通過把具有適當機械性能的材料納米化，將其轉化為新的、具有優異硬度、韌性和彈性的新材料。例如，在軟體動物的殼中，硬脆的文石板像磚塊一樣疊加，并通過某種蛋白質砂漿粘合在一起，從而得到兼有彈性和硬度的珍珠母貝。
來自斯圖加特大學材料科學研究所的Burghard和Joachim Bill團隊以這種天然復合材料為模型進行了研究。他們與馬普研究所智能系統方向和固態研究方向的同事一起，使用硬脆且的五氧化二釩陶瓷生產出了彈性優異的導電紙。
最初，科學家們是根據近20年來已知的固定程序，用水溶性釩鹽來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。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。
一旦創造出必要的條件，導電纖維就可以聚集成具有良好彈性和強度的紙張。科學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，接著在40℃下放置幾小時，同時緩慢降低氣候室中的濕度。這一緩慢過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，這就生產出了透明的橙色紙，我們還可以通過改變納米纖維溶液的數量來改變這些紙的厚度。
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于纖維間的導電性。”
在特殊納米結構中的硬質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的自由電子來傳送，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含水量的改變而變化。通過對材料進行干燥和退火處理，科學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：“由于陶瓷紙具有優異的機械性能、良好的導電性和化學性能，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“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。”使用陶瓷紙作電極的電池也因此能夠快速充電，但在高電流密度時同樣會快速放電。工業上人們對在可充電電池中使用陶瓷紙這一方法已經是非常感興趣的了。
此外，陶瓷紙的調節離子能力在其他領域也很吸引人。五氧化二釩中的電子由于分子間作用力可以更好的移動，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。當外來離子在陶瓷紙中聚集時，陶瓷紙會擴張。作為由插入顆粒控制的驅動器，陶瓷紙可以推拉微觀尺寸的對象。

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