华南理工大学：新方法制备碳气凝胶，用于柔性电子器件

本文要点：

提出一种纳米纤维碳连接方法，通过气泡模板法制备超轻 rGO/CNF 碳气凝胶（CAG）。

成果简介

超轻、高压缩性和超弹性的碳材料在可穿戴和柔性电子器件中有很大的应用前景，但由于碳材料的脆性，其制备仍然是一个挑战。 华南理工大学刘传富教授团队在《CHEMNANOMAT》 期刊发表名为“Enhancing the Mechanical Performance of Reduced Graphene Oxide Aerogel with Cellulose Nanofibers”的论文， 研究通过 增强纤维素纳米纤维 (CNF) 的氧化石墨烯 (GO) 液晶稳定气泡成功制备了超低密度、高机械性能的碳气凝胶 。

还原氧化石墨烯（rGO）纳米片中引入CNF后，通过焊接效应增强了rGO纳米片之间的相互作用，限制了rGO纳米片的滑移和微球之间的剥离，从而显著提高了材料的力学性能。所制备的碳气凝胶具有超高的压缩性（高达99%的应变）和弹性（在50%应变下10000次循环后90.1%的应力保持率和99.0%的高度保持率），通过各种方法制备的碳气凝胶均优于现有的气泡模板碳气凝胶和许多其它碳材料。这种结构特征导致了快速稳定的电流响应和对外部应变和压力的高灵敏度，使碳气凝胶能够检测非常小的压力和从手指弯曲到脉搏的各种人体运动。这些优点使得碳气凝胶在柔性电子器件中具有广阔的应用前景。

图文导读

图1、rGO/CNF 碳气凝胶的制备示意图（a）和 CNF 之间以及 CNF 和 GO 之间的相互作用（b）。没有 (c) 和 (d) 交叉偏振器的 GO/CNF 气泡乳液的 POM 图像。CAG (e) 的 SEM 图像。超轻 CAG 立在花瓣上的照片 (f)。

图2.GO (a) 和 CNF (b) 的 AFM 图像和相应的高度图像。GO（c 和 d）和 GO/CNF（e 和 f）的 SEM 图像显示了 CNF 在起皱的 GO 纳米片中的分布。rGO (g) 和 rGO/C-CNF (h) 的 TEM 图像揭示了 C-CNF 在 rGO 纳米片中的均匀分布。

图3.宏观可视化显示 rGO/CNF 碳气凝胶的超弹性（a）。具有不同 CNF 含量的碳气凝胶的密度（b）。AG 和 CAG-X 在 50% 应变下的应力-应变曲线 (c)。AG 和 CAG-X 在 50% 应变下经过 1000 次压缩循环后的应力保持率和高度保持率（d）。AG、CAG-5、CAG-10、CAG-20、CAG-30 和 CAG-50 (e) 的 SEM 图像。

图4、说明 AG (a) 和 CAG (b) 的可压缩性和弹性机制的示意图。CNF碳纳米纤维将rGO纳米片焊接在一起，限制了rGO纳米片的滑动，从而提高了机械强度和抗疲劳性。rGO/CNF 纳米片的有限元模拟（c）。

图5、CAG-20 具有超强的压缩性、弹性和抗疲劳性。CAG-20 在不同压缩应变下的应力-应变曲线 (a)。50% 应变下 1、1000、10000 和 20000 次循环的应力-应变曲线 (b)。极端应变为 99% 时的应力-应变曲线 (c)。90% 应变下 200 次循环的应力-应变曲线 (d)。CAG-20 压缩前的 SEM 图像（e）。CAG-20 在 50% 应变下经过 20,000 次压缩循环后的 SEM 图像 (f)。各种碳材料的应力/密度指数 (g)、应力保持率 (h) 和高度保持率 (i) 的比较。

图6.应变/应力——CAG-20 的电流响应和灵敏度。应变为 10% 至 70% (a) 时的电流强度。在 50% 应变和 1 V 的恒定电压下，1000 次循环的电流输出 (b)。0-100 Pa 时的线性灵敏度（插入：0.1-7 kPa 时的灵敏度）(c)。组装基于 CAG-20 的传感器 (d)。来自轻压 (e)、手指弯曲 (f)、肘部弯曲 (g) 和面部表情 (h) 的电流信号。脉搏信号检测（i）。

小结

综上所述，通过GO液晶的气泡模板法制备了具有低密度、高机械和传感性能的rGO/CNF碳气凝胶。碳化的 CNF 通过增强 rGO 纳米片之间的相互作用，在提高碳气凝胶的机械强度和结构稳定性方面发挥着至关重要的作用。 碳气凝胶表现出超高的压缩性和弹性，以及抗疲劳性。高机械性能和稳定的微观结构赋予碳气凝胶快速稳定的电流响应和高灵敏度。因此，它在用于检测生物信号的可穿戴设备中具有巨大的应用潜力。

链接：https://doi.org/10.1002/cnma.202100150

文献：

——科学家、企业家、IT行业工程师的摇篮

咨询电话：

020-39380203 高老师

020-39380283-3617 周老师

学院网址：[http://www.scut.edu.cn/cs]

学院介绍

双一流大学国家名牌特色专业

华南理工大学是我国高等学校最早从事计算机科研与教学的单位之一，1958年开始计算机科学研究工作，1960年设立计算机专业， 1981年成立计算机科学与工程系，2001年成立计算机科学与工程学院， 2016年计算机学科进入ESI全球排名前1%，且位次不断上升，2020年初排名百分位已进入25.57%。学院拥有计算机科学与技术一级学科博士点和博士后科研流动站，计算机科学与技术学科为广东省一级重点学科，拥有科技部重点领域创新团队（机器智能创新团队）、广东省计算智能与网络空间信息重点实验室、广东省计算机网络重点实验室、广东省大数据分析与处理工程技术研究中心、广东高校海量大数据的智能信息处理与安全工程技术研究中心、广东省信息访问与传输安全工程技术研究中心、广东省人工智能中医工程技术研究中心、广东省计算机实验教学示范中心等教学科研基地。学院设置有计算机科学与技术（国家一流专业建设点、国家特色专业、国家卓越工程师计划、广东省重点专业、广东省特色专业、广东省名牌专业）、网络工程（国家特色专业、广东省一流专业建设点、广东省特色专业）、信息安全3个本科专业。2008年通过国家教育部工程教育专业认证。2014年“计算机创新人才培养模式的探索与实践”获广东省教学成果一等奖。

师资实力雄厚

科研能力突出

学院现有专任教师82人，其中教授28人，副教授41人；拥有欧洲科学院院士1人，IEEE Fellow 1人，国家优青3人，广东省青年珠江学者2人，广东省自然科学基金杰出青年6人，广州市珠江科技新星4人。

学院建立了计算机网络、多媒体技术与图形图像处理、信息安全、机器学习与数据挖掘、视听觉与服务计算、先进计算体系结构、高性能计算与海量信息处理、移动软件开发环境、智能技术与机器人、智能计算机共10个学术团队，先后承担了一大批国家“973”计划、国家支撑计划、国家自然科学基金、国家“863”计划、国家（广东省）自然科学基金等项目，近5年科研经费近亿元。自2012年以来，累计获得国家科技奖项2项、省部级科技奖18项，学院已成为国家计算机科学与技术重要的人才培养和科学研究基地。

利用科研优势

创新人才培养模式

学院采取本科生全程导师制，引导学生积极投入科研项目和科技竞赛，与著名IT巨头建立了实质性的校外实习基地，加强产学研合作，并先后与美、英、新及香港等境内外高校建立了教学科研合作，培养具有国际视野的创新人才。

学生收获颇丰

涌现大批优秀校友

近年来，学院以“大师+团队”的科研团队为依托，学生课外科技创新活动开展得如火如荼，在中国“互联网+”创新创业大赛、ACM/ICPC国际大学生程序设计大赛、国际大学生数学建模竞赛、全国网络安全攻防大赛、全国高校趋势科技百万程序竞赛、海峡两岸机器人足球竞赛、中国机器人暨RoboCup公开赛和国际大学生物联网创新创业大赛等高级别赛事取得优秀成绩。

学院学生就业历年在全国名列前茅，优秀校友犹如雨后春笋，遍及海内外，30多年来，学院已培养近万名工程师、知名企业家、专家、学者和领导干部。特别是近些来，众多新生代的计算机学院杰出校友活跃于各行各业，推动传统产业、行业与IT、互联网、人工智能等新技术的加速融合，为中国制造和我国经济社会发展进步贡献才智，包括腾讯公司前高级执行副总裁兼首席技术官张志东，广州UC优视科技有限公司（现阿里巴巴移动事业群）联合创始人梁捷、何小鹏，盈世信息科技有限公司（网易邮箱）CEO陈磊华、CTO陈颖棠，广东威创视讯科技股份有限公司总裁、总经理何正宇，京华网络有限公司总裁谢小能，福布斯中国30位30岁以下创业者称号、广州优蜜信息科技有限公司CEO陈第，第三届中国“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛金奖-荔枝微课项目负责人、广州森季软件科技有限公司创始人黄冠，石头科技董事长昌敬等等。

全称是：华南理工大学广州汽车学院

华南理工大学广州汽车学院是教育部批准设立的一所以工科为主，经济、管理、文学、理学协调发展的多科性本科院校。

基本介绍中文名 ：华南理工广州汽车学院 学校类型 ：多科性 属性 ：本科院校 所属地区 ：广州花都区 学校地址 ：广州花都区学府路上 简介,教学名师,人才培养,优势,校园文化,国际交流, 简介 学院坐落于青山环抱，碧树成荫的广州花都区学府路上，占地面积1723亩，已完成基建规模近30万平方米，建成公共教学楼、行政办公楼、实验楼、工程训练中心、信息中心、图书馆、室内体育中心、学生活动中心、游泳池等教学设施。学生公寓、学生食堂、教工公寓、教工宿舍、综合服务等保障设施。其中，设定多媒体课室60多间，语言实验室电脑380台，教学用电脑超过1000台，各类课室座位20000多个建立了计算机、普通物理、电工电子、金属工艺等基础实验实习场地3.1万平方米建成400米标准体育场以及30多个室外体育场和汽车驾驶训练场。现有学生床位8352个，教工公寓112间，教工宿舍408套，还有供14000人就餐的学生食堂和其他服务设施。图书馆建筑面积1.5万平方米，现已购进图书18万多册，设有104座的多媒体阅览室。校内道路环境优美。学院的各项办学条件指标，都大大超过教育部规定的合格标准。 紧紧围绕广东及广州地区优先发展的汽车产业、现代制造业、信息产业及现代服务业对人才的需求，按照“做大工科，突出汽车，协调发展，凝练特色”的学科建设思路规划和设定专业。 学院现有汽车工程系、机电工程系、电子信息工程系、计算机工程系、经贸与管理工程系、外语系和珠宝系等7个系。开办了车辆工程、汽车服务工程、机械工程及自动化、工业设计、国际经济与贸易、市场行销、英语、日语、艺术设计等18个专业。 学院依托校本部的国际交流平台，开展与国外大学的校际交流合作，包括与澳大利亚蒙纳什大学、昆士兰大学的“3+1+1”学生交换合作与匈牙利赛格德大学的课程互认及派遣攻读硕士研究生合作等。 教学名师 学院拥有一批卓越的学科专业带头人。 汽车工程系主任兰凤崇教授是华南理工大学机械与汽车工程学院院长，中国汽车标准化协会车身标准化分委员会委员中国汽车工程学会特聘专家。 机电工程系主任李纪仪教授是广东省教学名师，全国高校机械原理教学研究会理事，广东省机械原理教学研究会理事长，国家教学成果二等奖获得者。 电子信息工程系主任叶梧教授，曾任华南理工大学电子与信息学院副院长，移动通信国家工程研究中心高级顾问，康佳康佳集团有限公司的独立董事，现担任广东省 *** 参事。 计算机科学与工程系主任李仲麟教授，曾任华南理工大学计算机科学与工程学院副院长，现任全国计算机教学指导委员会委员，中国计算机学会教育专业委员会主任。 经贸与管理工程系主任黄培伦教授，历任华南理工大学工商管理学院副院长、电子商务学院副院长等兼任广东省人力资源学会副会长、广东省 *** 发展研究中心特约研究员。 外语系主任张本慎教授是华南理工大学外语学院首席教授，曾兼任全国研究生英语教学研究会常务理事、现为华南理工大学教学名师，广东省独立学院外语教学指导委员会主任 人才培养 学院按照“重人品、厚基础、强能力、有专长”的人才培养知道思想，着力打造“套用型、复合型、创新型、创业型”的高级专业人才。 汽车类专业，突出设计与制造、检测与维护、服务与行销、保险与理赔、评估与管理方面的教学，着重培养“懂技术、善经营、会服务”的能力和素质。 机械类专业，以创新设计为核心，以计算机辅助设计(CAD)和制造(CAM)为主线，以数控加工为平台，着重培养生产第一线从事机械工程及自动化设计制造、科技开发、套用研究的能力。 电子信息类专业，以汽车电子为龙头，突出信息获取、信息传递、信息处理、信息控制与管理，以及计算机控制的设计、开发和套用，培养电子、电力、通信等系统设计、检测、管理方面的能力和素质。 计算机相关专业，侧重计算机基本技能、网路工程基本技能、软体工程开发技术基础教学，培养计算机软硬体产业、网路套用系统开发的能力和素质。 经营类专业，突出实务训练，企业管理、商务管理、行销管理等专业方向均有覆盖四年的实战培训计画。“云峰杯小糊涂仙酒行销策划大赛”、“科达音响行销策划咨询项目”均取得了很好的效果。 外语类专业，注重复合型外语人才培养，设定英语与国际会展结合、英语与涉外旅游及酒店管理结合、英语与国际商务结合、日语与国际经济贸易结合的专业方向，拓展了外语人才的发展空间。 艺术设计专业，侧重珠宝首饰设计，通过艺术设计思维能力、设计方法、加工技能的基本训练，培养从事珠宝首饰设计、加工、制作及经营管理的高级人才。 学院根据套用型人才的培养目标和学科专业建设要求，建成四个基础实验中心和一批专业实验中心。物理实验中心、电工电子实验中心、计算中心、工程训练中心等四个基础实验中心全面投入使用。机械工程实验中心、车辆工程实验中心、电子工程实验中心、珠宝检测加工中心等也根据教学进程陆续投入使用。所有实验室均选用该学科领域的先进设备。各实验室还规划了数十个技能和特长培训项目，使实验教学真正成为套用型人才能力和技能培养的主阵地。 学院十分注重培育高雅的校园文化，提升校园文化层次，打造积极向上、团结奋进的良好校风。根据我、该院学生各方面素质发展比较均衡、多才多艺的特点，学院大力开展适合学生特点的校园文化活动，活跃校园生活，展现和培养学生个性。在每年举行的“迎新生、贺中秋、庆国庆文艺晚会”、 “科技文化节”、 “学院运动会”、“汽车知识竞赛”、“读者文化节”及各种设计大赛中，学生都表现出了非凡的组织才能和超乎寻常的创造力。 优势 办学优势 广州汽车学院的快速建设和发展仰仗其突出的办学优势。 行业优势 ：中国汽车工业、现代制造业、信息产业、金融、贸易、管理等现代服务业的强劲发展，珠三角地区产业升级转型，衍生出高级专业人才的海量需求，为学院的发展开辟了广阔的空间。 地域优势 ：广东省、广州市密集的汽车产业集群和零部件生产基地，信息产业基地，为学生实习和就业提供了便利。 名校优势 ：依托知名高校华南理工大学的学科、师资优势和现代大学的管理经验，学院的学科有支撑，师资有保障。 合作优势 ：依托投资方云峰企业的雄厚实力和切实的资金投入，能够长远支撑学院的发展。 校园文化 学校实施“校园文化建设工程”，倡导第一课堂和第二课堂互为补充，开展丰富多彩的校园文化活动，举办科技文化节、社团文化节、科技竞赛、学术节、品牌讲座等一系列活动，以科技、文化、艺术为载体，提高学生人文素养。学校积极支持学生社团建设，到目前为止已形成覆盖社会公益、文化艺术、学术科技、学习实践、体育竞技等五类47个学生社团，其中较有特色的社团有计算机协会，配有自己的论坛，在那里可以得到很多学习和生活上的帮助。 学校还积极探索产学研结合新模式，与云峰企业联合创建了工程研究院，成立了机器人套用研究所、汽车新技术研究所、数位化套用研究所、珠宝研究所和产业发展研究中心，以科研促教学，为师生提供了科研实践平台。 国际交流 学校积极引进国（境）外优质智力资源和教育资源，开展全方位、多层次、宽领域的国际交流与合作。先后与美国、加拿大、英国、法国、荷兰、澳大利亚等十多个国家和台湾地区建立合作关系，与25所院校签订了合作意向书，开展广泛深入的学术交流和科研合作。近500名学生参加国外高校研习、学术交流、2+2、3+1国际交换生项目。 学校与美国托马斯大学校级联合举办“中美学院”，与该校合作举办的宝石及材料工艺学(珠宝鉴定与行销)专业是教育部批准的“中外合作办学项目”。学校还与台湾树德科技大学联合举办工业设计专业。 2012年，学校设立了国际交流基金，每年拿出100万元以全额、半额及生活补贴等多种资助形式，资助成绩优异的学生赴海外留学研修。 国际交流项目合作学校： 美国：威斯康星大学拉克罗斯分校、美国加州州立大学东湾分校、美国厄巴纳大学、 美国艾伯林基督大学、美国国立大学、美国密西根大学、美国德锐大学 加拿大：加拿大百年理工学院、加拿大温莎大学 澳大利亚：澳大利亚纽卡斯尔大学、澳大利亚巴拉瑞特大学、澳大利亚埃迪斯科文大学 欧洲：德国安哈特套用技术大学、荷兰北方莱瓦顿管理学院、立陶宛商法学院、西英格兰大学、英国斯旺西大学、英国赫特福德大学 台湾短期研习学校：树徳科技大学、昆山科技大学、岭东科技大学、中国科技大学（台湾）、大华技术学院

---