2016年11月11日 星期五 09:15:33
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刚柔并济,这种硬碳气凝胶材料超乎想象!

发表时间:2019/4/25

碳材料可按碳原子杂化轨道的不同分为石墨碳、软碳和硬碳。通常来说,石墨碳和软碳具有高弹性,但是强度较低,容易变形,而硬碳的强度大,稳定性好,但是易碎。如何将硬碳材料制备成超弹性材料仍然是一项挑战。


最近,中科大俞书宏教授课题组受到自然界的蜘蛛网同时具有高强度和高弹性的启发,巧妙通过模板法构筑纳米纤维网络结构,赋予传统硬碳材料超弹性。通过使用间苯二酚-甲醛(RF)树脂作为硬碳源,以多种纳米纤维,包括细菌纤维素纳米纤维,碲纳米线和碳纳米管作为结构模板制备RF的纳米纤维气凝胶,通过高温碳化即可得到超弹性和抗疲劳硬碳气凝胶(HCA)。



研究者通过简单地控制原料配比,可以轻松实现对气凝胶物理参数的调控。而且,得益于纳米纤维网络结构和纤维间的硬碳焊接点,所得的HCAs具有优异的机械性能。通过原位扫描电子显微镜发现,在经过50%的压缩后,材料的整体结构恢复原状,并没有明显的结构破坏或不可逆形变。



该材料具有优异的弹性性能,回弹速度高达860 mm·s-1,能量损耗系数低至0.16,与传统碳材料相比,兼具弹性与强度。



这种新型HCA还实现了弹性和强度之间的平衡,研究者探究了其作为大量程压阻式传感器,以及可拉伸/可弯曲导体的相关性质。结果表明,该弹性导体具有优异的循环稳定性,同时由于结构和组分的稳定性,可以在苛刻环境中工作(如液氮中)。




该研究的最大意义在于,通过自然材料的启发和精心设计的微观结构,将传统的脆性僵硬的树脂转变成高性能超弹性的硬碳气凝胶材料。与传统碳材料相比,该气凝胶具有极高的回弹速度、极低的能量损耗、同时保持了高强度和稳定性。该方法有望扩展到制备其他非碳基纳米纤维材料,为研究者提供一种通过设计纳米纤维的微观结构将刚性材料转变成弹性或柔性材料的新思路。

(来源:纺织导报官微)