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突破“硬”界限:我国研究人员成功开发柔性陶瓷材料
2019年11月05日 发布 分类:行业要闻 点击量:154
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近日,东华大学俞建勇院士及丁彬教授带领的纳米纤维研究团队利用溶胶-凝胶静电纺丝和低温结晶的工艺技术,制备出柔性钛酸钡陶瓷纳米纤维膜。这一突破在业界引起了不小的轰动,使金属氧化物陶瓷在可穿戴电子纺织品等新兴领域中的应用成为可能。

金属氧化物陶瓷主要应用于电子和能源等领域,由于材料本身特质,表现出的物性硬且脆,弯曲时因应力集中,横面易破裂或折断。而柔性氧化物陶瓷纳米纤维由于其存在多种不一致的相和晶界,在生产制备方面也一直难以突破。

该团队利用了一系列表征技术,研究了形成复杂晶界的柔性变形机理,突破了柔性聚合物和硬陶瓷之间的界限,使其更符合特需工业生产需求。应用此技术能够设计出一系列介于软和硬界限之间的多元陶瓷材料,比如团队近期开发了快离子导体锂镧锆氧和锂镧钛氧纳米纤维材料。

值得一提的是在制备晶体钛酸钡方面,传统的固相烧结法需要在大于1200℃下煅烧至少12h,而该项生产工艺仅需在850℃下煅烧2h,极大的降低了能耗和时间成本。

 

(a) 溶胶-凝胶静电纺丝示意图,(b) 煅烧过程制备柔性钛酸钡纳米纤维膜的示意图,(c) BTO纳米纤维膜的柔性展示,(d) 制作的压电传感器的原理图和光学图。  

研究速览:

通过制备稳定的纺丝溶胶,在静电纺丝和煅烧过程中形成凝胶和晶体纳米纤维,深入研究了与晶体尺寸和晶界密切相关的柔性变形机理。稳定的溶胶体系保证了钛酸四丁酯(TBT)和Ba2+离子之间充分的纳米级相互作用,以形成均匀的三维网络结构。在静电纺丝过程中,溶胶经过快速拉伸和相分离形成聚合物纳米纤维。在随后的煅烧过程中,聚合物模板被分解,并伴随着晶体成核和转变,以及BTO晶体纳米纤维膜的晶粒生长、融合和致密化。所开发的柔性钛酸钡陶瓷纳米纤维晶体膜可有效降低应力集中以降低大变形时的破裂风险,由此设计出压电传感器,在弯曲变形时候依然具有较高的灵敏度。

该研究以“Polymer Template Synthesis of Flexible BaTiO3 Crystal Nanofibers”为题发表于《Advanced Functional Materials》上,有兴趣的读者可自行查阅。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.201907919

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