北京大学刘忠范院士团队Adv. Sci.：用于柔性红外伪装的自支撑石墨烯织物薄膜

[引言]

石墨烯薄膜(GF)具有较高的机械柔韧性、优良的导电性和高比表面积，在超级电容器、气体传感器、储氢、电极方面具有很大的应用潜力。石墨烯的合成方法主要分为两条路线:1)由石墨烯薄片及其衍生物组装而成的自上而下的合成;该方法使石墨烯的生产成本相对较低，但存在石墨烯厚度不可控、制造工艺繁琐等难题;2)碳源分子由化学气相沉积(CVD)自下而上的合成。这种方法制备的石墨烯薄膜具有质量高、均匀性好等优点。但石墨烯薄膜与衬底的紧密结合限制了其进一步的结构设计，同时不可避免的繁琐的转移过程也会导致石墨烯缺陷的产生和性能下降。

本文利用CVD法在SiO₂纤维上生长石墨烯的经验，设计了一种柔性纸状freestanding石墨烯织物薄膜(FS-GFF)。在使用镍/铜纤维作为生长基质的情况下，由于金属纤维直径较大(≈100µm)，普通金属网结构松散，可能会导致原有织物结构的退化，使其无法实现freestanding。本研究中，直径为6µm的SiO₂纤维的致密结构保证了FS-GFF在SiO₂纤维蚀刻后仍能保持原有的织物结构。此外，根据SiO₂织物的尺寸可以得到大规模的FS-GFF。此外，柔性FS-GFF可以通过一个非常简单的再润湿过程附着在各种形状的物体上。

基于这种新型FS-GFF，本文研究团队制作了一种独特的可调红外伪装柔性纺织器件。得益于这种新兴FS-GFF的freestanding特性，该可调红外伪装器件（AIC）比其他报道的AIC器件相比，可以很容易地转移到任何形状的目标上，操作也很方便。

[研究进展]

近日，北京大学刘忠范院士、北京机电工程研究所的Maoyuan Li以及北京石墨烯研究院慈海娜（共同通讯）等人成功制备了一种具有特殊纤维织物结构的自支撑石墨烯薄膜，研究通过CVD技术制备了一种自支撑的石墨烯薄膜。通过使用可蚀刻的织物衬底，获得了大规模的纸草状的自支撑石墨烯织物薄膜（FS-GFF）。通过调节石墨烯层厚度，FS-GFF的电导率可以在50到2800 Ω sq^-1 之间。此外，FS-GFF 可以通过简单的再润湿操作进一步附着在各种形状的物体上，电导率的变化可以忽略不计。基于上述优异性能，研究团队也对其在柔性红外器件应用前景方向进行了研究，发现FS-GFF可以组装成具有可调红外发射率的柔性器件，可实现复杂背景下的自适应伪装能力。。这项工作为大规模自支撑石墨烯织物薄膜的制造提供了深刻的见解，同时促进了对柔性红外伪装纺织品的探索。相关成果发表在Advanced Science（“Freestanding Graphene Fabric Film for Flexible Infrared Camouflage”, DOI: 10.1002/advs.202105004）上。

[图文介绍]

图1.通过低压CVD (LPCVD)策略制备出的石墨烯@SiO₂织物(G@SF)。

a) 实验设计示意图。

b) 800 cm× 40 cm的G@SF。

c) G@SF的面电阻图。

d) G@SF的拉曼光谱。

e) 制作时G@SF的SEM图像。

f) 石墨烯层的C 1s XPS光谱。

图2.制备自支撑石墨烯织物薄膜(FS-GFF)。

a) 蚀刻和干燥过程示意图。

b) 预制超轻FS-GFF。

c) 具有织物结构的FS-GFF的SEM图像。

d) FS-GFF中单个石墨烯带的原子力显微镜(AFM)

e) FS-GFF中单个石墨烯带的TEM 。

f) G@SF(左)和对应FS-GFF(右)的面电阻图。

g) 大规模FS-GFF照片。

图3.FS-GFF 的再润湿过程和再软化机制。

a) FS-GFF被转移到形状物体上。

b) 重新软化过程的有限元分析。

c) 有机溶液中石墨烯带状分散示意图。

d) FS-GFF复湿对不同有机溶液的抗性变化。

e) 各种形状物体上的FS-GFF。

图4.基于FS-GFF的可调节红外伪装 (AIC) 柔性纺织品

a) (AIC)柔性纺织装置原理图。

b) 施加不同电压后的AIC纺织器件的反射率。

c) 施加不同电压后的AIC纺织器件的红外发射光谱。

d) 不同电压下AIC纺织装置的明显温度变化。

e) AIC纺织设备在复杂环境下的红外伪装能力。

总结

在本工作中，作者利用CVD法和衬底蚀刻工艺制备了一种具有可调电导率和红外发射率的FS-GFF。这种生长-刻蚀工艺可以进一步应用于其他具有独特结构和性能的纳米材料组装体，这对于拓宽基于CVD的纳米材料的应用范围具有重要意义。这样得到的FS-GFF可以通过简单的再润湿过程附着在各种形状的物体上。FS-GFF具有柔韧性、重量轻、导电性好和高红外发射率等特点，在任何形状的物体上都具有良好的红外伪装潜力。所制备的AIC柔性器件的红外发射率可在5 V的低输入电压下从0.79调至0.68。通过选择性地施加电压，FS-GFF织物在复杂的红外背景下表现出较高的适应性。

文献链接：Freestanding Graphene Fabric Film for Flexible Infrared Camouflage. 2021, Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.202105004.

本文由纳米小白供稿