石墨烯-聚合物复合材料通常在机械强度与电导率之间存在权衡，这限制了其在柔性电子领域的应用。为解决这一关键挑战，本文，北方工业大学司丽娜 副教授、张淑婷 教授等在《Polym. Compos》期刊发表题为“Ultrastrong and Highly Conductive Gradient Graphene/Aramid Nanofiber Composite Films”的论文，研究采用序贯真空过滤法制备了梯度还原氧化石墨烯/芳纶纳米纤维（rGO/ANF）复合薄膜。该薄膜具有三层结构，外层为rGO/ANF复合层，中间层为纯rGO层。通过调节外层的ANF含量，实现了复合梯度薄膜在强度与导电性之间的最佳平衡。
rGO/ANF-30薄膜（ANF含量为30%（质量分数））的抗拉强度达到169.82 MPa，较纯rGO（50 MPa）提高了240%，同时保持了91.38 S/cm的高导电率，仅比纯rGO（129.14 S/cm）低29%。该性能超越了已报道的大多数rGO/ANF复合材料。性能提升归因于ANF增强作用与梯度结构的协同效应。本研究证明，梯度结构设计是克服石墨烯-聚合物体系固有权衡的有效策略，使这些复合材料在柔性电子、可穿戴设备及储能应用领域具有广阔前景。
图1、(a) Schematic fabrication process of rGO/ANF composite gradient films, (b) SEM image of as-prepared ANF nanofibers, (c, d) cross-sectional morphologies of rGO/ANF-50 composite gradient film before and after hot-pressing, respectively, (e) cross-sectional SEM images of non-rGO/ANF-50 film, and (f, g) cross-sectional SEM images of pure ANF film and rGO/ANF-30 composite gradient film, respectively.
综上所述，本文通过三步序贯真空过滤法，成功制备了兼具优异综合机械强度和电导率的rGO/ANF梯度薄膜。与纯rGO薄膜相比，rGO/ANF复合梯度薄膜的力学性能显著提升，其中优化的rGO/ANF-70薄膜的抗拉强度达189.48 MPa，韧性达4955.46 kJ m−3（分别提高了265%和316%）。与此同时，当ANF含量≤70 wt%时，梯度薄膜仍保持着较高的电导率（58–91.38 S/cm），其中rGO/ANF-30薄膜展现出91.38 S/cm的高电导率（仅比纯rGO降低29%），性能优于此前报道的大多数rGO/ANF复合材料。梯度薄膜在高机械强度与高电导率之间实现了平衡。这种优异性能源于独特的梯度结构与强烈的rGO/ANF界面相互作用之间的协同效应。所制备的rGO/ANF复合梯度薄膜在柔性电子、可穿戴设备、电磁干扰屏蔽及储能系统等领域的实际应用中具有广阔的前景。
文献：https://doi.org/10.1002/pc.71416
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