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貌似“弱不禁風” 硬碳氣凝膠本領高強

來源﹕科技日報2019-05-30 09:38

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  新知

  最近﹐中國科學技術大學俞書宏教授領導的課題組受自然界蜘蛛網同時具有高強度和彈性的啟發﹐巧妙通過模板法﹐製備了一系列具有納米纖維網絡結構的硬碳氣凝膠。該系列氣凝膠具有超彈性﹑抗疲勞以及穩定性好等優點。研究成果被選為封底論文發表在《先進材料》上。

  氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量﹐有時也被稱為“固態煙”或“凍住的煙”。氣凝膠貌似“弱不禁風”﹐其實非常堅固耐用。它可以承受相當於自身質量幾千倍的壓力﹐在溫度達到1200攝氏度時才會熔化。此外它的導熱性和折射率也很低﹐絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。由於具備這些特性﹐氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料﹐俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進行熱絕緣。

  碳材料可按碳原子雜化軌道的不同大致可分為石墨碳﹑軟碳和硬碳。軟碳和硬碳主要用於描述聚合物熱解製備的碳材料﹐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﹐這種碳被稱為軟碳﹔如果這些石墨烯片隨機堆疊並通過邊緣碳原子交聯﹐高溫下不能石墨化﹐這種碳則稱為硬碳。

  通常來說﹐石墨碳和軟碳具有高彈性﹐容易變形﹐但是強度較低﹔由於硬碳微觀上亂層“紙牌屋”結構的存在﹐硬碳材料在機械強度和結構穩定性方面展現出極大的優勢﹐但是本征性質較脆且易碎。如何將硬碳材料製備成超彈性塊材是目前面臨的一個挑戰。

  研究人員通過使用間苯二酚-甲醛(RF)樹脂作為硬碳源﹐以多種一維納米纖維作為結構模板製備RF的納米纖維氣凝膠﹐通過高溫碳化即可得到超彈性硬碳氣凝膠。這種硬碳氣凝膠微觀結構精細﹐由大量的納米纖維和納米纖維之間的焊接點構成。這種方法簡單高效﹐容易規模化生產﹐通過調節模板與樹脂單體的添加量﹐可簡便地調控納米纖維的直徑﹑氣凝膠的密度﹑機械性能等。

  與傳統硬而脆的硬碳塊材不同﹐這種硬碳氣凝膠表現出優異的彈性性能﹐如結構穩定﹐在壓縮50%之後﹐微觀結構依然能恢復﹔回彈速度高於眾多石墨碳基的彈性材料﹔低能量損耗系數﹐一般石墨及軟碳材料內部存在的分子間作用力﹐會造成粘附力和摩擦力從而耗散很多能量﹔抗疲勞性﹐在50%應變下測試104個循環後﹐碳氣凝膠僅顯示2%的塑性變形﹐並保持93%的初始應力。

  研究人員還探索了這種硬碳氣凝膠在彈性導體方面的應用﹐在50%的應變下多次壓縮循環後﹐電阻幾乎不變﹐展示出穩定的機械-電學性能﹐同時可以在苛刻的條件下(例如在液氮中)保持超彈性及電阻穩定性。

  正是基於其優異的機械性能﹐這種硬碳氣凝膠有望應用於具有高穩定性﹑大量程﹑可拉伸或可彎曲的應力傳感器。此外﹐這種方法可擴展到製備其他非碳基復合納米纖維氣凝膠﹐為今後提供了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途徑。(吳長鋒)

[ 責編﹕武玥彤 ]
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