剛柔並濟,這種硬碳氣凝膠材料超乎想像!

2020-11-30 紡織導報

剛柔並濟，這種硬碳氣凝膠材料超乎想像！

發表時間：2019/4/25

碳材料可按碳原子雜化軌道的不同分為石墨碳、軟碳和硬碳。通常來說，石墨碳和軟碳具有高彈性，但是強度較低，容易變形，而硬碳的強度大，穩定性好，但是易碎。如何將硬碳材料製備成超彈性材料仍然是一項挑戰。


最近，中科大俞書宏教授課題組受到自然界的蜘蛛網同時具有高強度和高彈性的啟發，巧妙通過模板法構築納米纖維網絡結構，賦予傳統硬碳材料超彈性。通過使用間苯二酚-甲醛（RF）樹脂作為硬碳源，以多種納米纖維，包括細菌纖維素納米纖維，碲納米線和碳納米管作為結構模板製備RF的納米纖維氣凝膠，通過高溫碳化即可得到超彈性和抗疲勞硬碳氣凝膠（HCA）。



研究者通過簡單地控制原料配比，可以輕鬆實現對氣凝膠物理參數的調控。而且，得益於納米纖維網絡結構和纖維間的硬碳焊接點，所得的HCAs具有優異的機械性能。通過原位掃描電子顯微鏡發現，在經過50%的壓縮後，材料的整體結構恢復原狀，並沒有明顯的結構破壞或不可逆形變。



該材料具有優異的彈性性能，回彈速度高達860 mm·s-1，能量損耗係數低至0.16，與傳統碳材料相比，兼具彈性與強度。



這種新型HCA還實現了彈性和強度之間的平衡，研究者探究了其作為大量程壓阻式傳感器，以及可拉伸/可彎曲導體的相關性質。結果表明，該彈性導體具有優異的循環穩定性，同時由於結構和組分的穩定性，可以在苛刻環境中工作（如液氮中）。




該研究的最大意義在於，通過自然材料的啟發和精心設計的微觀結構，將傳統的脆性僵硬的樹脂轉變成高性能超彈性的硬碳氣凝膠材料。與傳統碳材料相比，該氣凝膠具有極高的回彈速度、極低的能量損耗、同時保持了高強度和穩定性。該方法有望擴展到製備其他非碳基納米纖維材料，為研究者提供一種通過設計納米纖維的微觀結構將剛性材料轉變成彈性或柔性材料的新思路。

（來源：紡織導報官微）

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