​中科大俞書宏教授課題組制備出超彈性抗疲勞硬碳氣凝膠

碳材料可按碳原子雜化軌道的不同分為石墨碳(GC)、軟碳(SC)和硬碳(HC)。石墨碳具有二維六方晶體的長程有序結構,如石墨,石墨炔,石墨烯/氧化石墨烯、碳納米管等。在熱解過程中,一些碳原子重構成二維芳族石墨烯片,如果這些石墨烯片大致平行,在高溫下則容易石墨化,稱為軟碳;如果這些石墨烯片隨機堆疊並通過邊緣原子交聯,高溫下不能石墨化,則稱為硬碳。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。如何將硬碳材料制備成超彈性塊材仍然是一個挑戰。

最近,中科大化學系俞書宏教授領導的課題組受到自然界的蜘蛛網同時具有高強度和彈性的啟發,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1D納米纖維,包括細菌纖維素納米纖維(BCNF),碲納米線(TeNW)和碳納米管(CNT)作為結構模板制備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)。

​中科大俞書宏教授課題組制備出超彈性抗疲勞硬碳氣凝膠

研究者通過簡單的控制原料的配比,可以輕易實現對氣凝膠物理參數的調控,如纖維的直徑、密度等。

​中科大俞書宏教授課題組制備出超彈性抗疲勞硬碳氣凝膠

結構穩定性

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可以看出,在經過50%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。

​中科大俞書宏教授課題組制備出超彈性抗疲勞硬碳氣凝膠

超彈性

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

​中科大俞書宏教授課題組制備出超彈性抗疲勞硬碳氣凝膠

這種新型HCA實現瞭彈性和強度之間的平衡,研究者探究瞭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,可以實現在苛刻環境下工作(如液氮中)。

​中科大俞書宏教授課題組制備出超彈性抗疲勞硬碳氣凝膠

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,可以將傳統的脆性僵硬的樹脂轉變成高性能的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、同時保持高強度和穩定性。該方法有望擴展到制備其他非碳基納米纖維材料,並提供瞭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。

參考文獻:Zhi-Long Yu,BingQin,Zhi-Yuan Ma,Jin Huang,Si-Cheng Li,Hao-Yu Zhao,Han Li,Yin-Bo Zhu,Heng-An Wu,and Shu-Hong Yu*,Superelastic Hard Carbon Nanofiber Aerogels,Adv.Mater.2019,1900651

相关文章