Nano Lett. : 在金属氧化物渗透图案化杂化聚合物纳米复合材料中的超高弹性应变储能

【引言】

弹性模量（材料储存和释放弹性应变能的能力量度）对于在微/纳机电系统中实现先进的机械致动技术至关重要。一般来说，设计弹性模量很困难，因为它需要不对称地增加屈服强度和杨氏模量，以抵抗它们的相互缩放行为。如果需要在纳米尺度上进行，这个任务变得更具挑战性。 本文展示了有机-无机杂化复合纳米柱利用每个密度的最高回弹模量在光刻图案化的负性光刻胶SU-8中气相氧化铝渗透。原位纳米的力学测量揭示了该材料类似金属的高屈服强度（〜500 MPa），具有非常低的泡沫状杨氏模量（~7 GPa），其产生超高弹性模量，达到〜24 MJ / m³，单位密度弹性模量约为13.4 kJ/ kg，优于大多数工程材料。 该混合聚合物纳米复合材料轻质、弹性模量超高可调，并具有多功能纳米级平版印刷图案，拥有作为需要超高机械弹性和强度的纳米机械组件应用的潜力。

【成果简介】

材料中弹性应变能的存储和释放及其机械强度在自然和工程机械驱动系统中起着重要作用，包括负责动物快速和高动力运动的生物组织以及高性能的微/纳机电系统（MEMS / NEMS）谐振器和致动器。 许多新兴技术也取决于机械能储存和释放的有效使用，例如替代能源系统和用于机器人运动和运动的人造肌肉。 弹性模量（R）（单位：J / m³）在塑性变形开始之前测量，表示单位体积的材料中储存弹性应变能的能力。 以R（R）为标准化，R（R_s）也是重要的机械设计参数，代表单位重量的弹性应变能量储存能力（单位：（J / m³）/（kg/m³）= J /kg）。为了在线性弹性固体中获得增强的R，需要材料中的高屈服强度（σ_y）和低杨氏模量（E），但是工程这样的σ_y -E组合很难做到，因为两种性质通常一起增强。

近期，来自康涅狄格大学的Chang-Yong Nam和Keith J. Dusoe（共同通讯作者）等人在Nano Lett. 上发表了一篇题为“Ultrahigh Elastic Strain Energy Storage in Metal-Oxide-Infiltrated Patterned Hybrid Polymer Nanocomposites”的文章。该研究克服了上述问题，并通过独特的σ_y，E和ρ组合来生成带图案的杂化纳米复合材料，通过连续渗透合成，以原子衍生的有机-无机杂交技术，实现超高R和高强度R_s层沉积（ALD）。不同于典型的ALD工艺，其依赖于衬底上的气态前体的自限表面反应，渗透合成允许前体渗透到聚合物模板中以形成嵌入在有机基质内的无机材料。这种新型的纳米复合材料已被证明可用于增强聚合物的各种物理、化学性能，包括机械强度。

【图文导读】

图1 合成纳米复合材料SU-8纳米柱的示意图及其性能

（a）通过渗透合成制造AlO_x渗透杂化纳米复合材料SU-8纳米柱的示意图。

（b）AlO_x渗透SU-8纳米柱（假色）阵列上的原位纳米力学测试尖端的SEM显微照片，和单个纳米复合SU-8纳米柱（插图）的放大图。

（c）SU-8的代表性应力 - 应变曲线。

（d），（e）相对于施加的AlO_x渗透合成循环次数，测量SU-8纳米柱的σ_y和E。

图2  具有高机械弹性的特性图

（a）修改的强度与E Ashby图。

（b）对于300 nm直径的SU-8纳米柱（实心正方形），计算的R相对于所施加的AlO_x渗透合成循环次数。

图3  SU-8薄膜的显微照片

（a）在16次AlO_x渗透合成循环之后交联的SU-8薄膜的横截面明场TEM显微照片，右图显示AlKαEDXS线扫描剖面。

（b）SU-8薄膜的AlO_x渗入部分的高分辨率明场TEM显微照片，右上方显示非晶致密层的放大图。

（c）通过原位QCM测量获得的相对于AlO_x渗透合成循环次数的质量增益特性。

图4  AlO_x渗透SU-8纳米柱的力学性能

（a）在三种不同位移速率下，16个循环的AlO_x渗透的SU-8纳米柱测量的压缩应变 - 应力曲线。

（b）在16次循环的AlO_x渗透的SU-8纳米柱的压缩应变和卸载期间原位获得的时间消逝的视频帧。

（c）SU-8纳米柱在循环弹性加载/卸载实验期间，测量的应变/应力与时间数据。

图5 复合材料的杨氏模量

在AlO_x渗透的SU-8纳米柱中，复合材料的杨氏模量与AlO_x簇填料的体积分数的函数关系图以及它们与Halpin-Tsai和Hashin-Shtrikman模型的比较。

图6 复合材料的内部构造及高弹性机理

在没有机械应力（左），压缩弹性应力（中）和恢复形变的情况下，（a）未渗透的交联SU-8和（b）AlO_x渗透的SU-8聚合物基质的内部结构的示意图。

【小结】

研究人员提出了新型的有机-无机杂化纳米复合材料，通过气相渗透分子尺度的AlO_x填料进入平版印刷的SU-8聚合物模板。原位纳米力学测试表明，这种材料已经实现了金属样高σ_y（> 500 MPa）和泡沫样低E（<10 GPa），这是已知的工程材料中独特的配合，并导致其中一种最高的弹性储能释放能力与高强度相结合，比典型工程高出约4个数量级合金。 此外，以传统半导体加工（即ALD）和多功能光刻图案性的可扩展实施为特征，所开发的聚合物纳米复合材料打开了新的纳米机械应用，尤其在可调超高机械弹性方面。

文献链接：Ultrahigh Elastic Strain Energy Storage in Metal-Oxide-Infiltrated Patterned Hybrid Polymer Nanocomposites（Nano Lett.，2017， DOI: 10.1021/acs. nanolett.7b03238）

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

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