Nat. Commun. 中科大俞書宏課題組成功制備仿生設計超彈性耐疲勞碳納米組裝體材料

滿都煙柳 7年前 (2016-09-28) 9218瀏覽

感謝俞老師對本文的指導和對材料人網的大力支持！

低密度、可壓縮型耐疲勞結構材料具有極其重要的應用價值。可壓縮性、回彈性和抗疲勞性能是決定這類材料性能和應用的主要因素。為了提高這些性能指標，研究人員一直致力于探索各種新策略，并主要集中在設計特殊的多孔結構，或采用柔性而強健的結構組分。

目前，盡管材料的可壓縮性已經可以達到較高水平，但是如何實現其在高應變壓縮循環過程中的快速回彈以及較小的能量損失，并保持其結構與性能的穩定一直面臨著巨大的挑戰。一般來說，可壓縮性、回彈性及抗疲勞性能很難在一種材料中同時達到較優水平。這是因為，在反復的高應變壓縮過程中，其內部微結構往往由于不能有效地適應較大的應力和應變，便會不可避免地發生永久性受損或斷裂，而這些結構破壞必將導致較大能量損耗，并造成材料的永久性塑性形變和壓縮強度的顯著降低。因此，通過合理的微結構設計對解決這一難題將具有重大意義。

近日，中國科學技術大學俞書宏教授課題組的研究人員受人類足弓（下圖所示）等常見宏觀彈性拱結構的啟發，通過巧妙的實驗設計，成功制備了一種具有微觀層狀連拱結構的宏觀尺度碳納米組裝體材料。該材料由脆性易碎的組分（無定型碳-石墨烯復合物）構筑而成，但其同時展現出高度可壓縮性（垂直層方向壓縮90%形變后完全恢復原狀，與國際現有水平相當）、超彈性（580 mm/s的回彈速度，遠高于國際已報道材料170 mm/s的最高水平；能量耗散因子約0.2，明顯低于國際上已報道材料0.3~0.8的平均水平）及超強抗疲勞性能（20%應變循環壓縮106次，優于國際已報道15%應變循環壓縮0.5×106次和6%應變循環壓縮106次的水平）。

為了實現這一特殊結構，研究人員首先設計了一種新型的雙向冷凍技術，將殼聚糖-氧化石墨烯（CS-GO）混合溶液取向冷凍并干燥從而獲得具有層狀結構的CS-GO宏觀組裝體，然后再將其通過高溫碳化處理，依靠碳化過程中CS和GO收縮程度的不同，使原本較為平坦的薄層結構皺縮成所需的層狀連拱結構。研究人員表示，上述兩步過程的巧妙結合對實現這一特殊多級結構是必不可少的，例如，通過雙向冷凍獲得的取向一致的層狀結構保證了最終材料中所有微拱單元的取向一致性，從而保證所有微拱單元在材料整體受壓變形時同時發揮彈性功能。

該課題組與中國科學技術大學吳恒安教授課題組緊密合作，通過進一步構建力學模型，對這一材料的超常性能進行了系統的分析。結果表明，構成該材料的微拱結構單元和宏觀薄殼型拱結構一致，可以發生可逆的面外大尺度彈性變形，同時保持其面內所受的應力和應變極小。因此，由取向一致的微拱單元相互堆垛構成的材料整體，即使其構筑組分本身是脆性的，也可以適應高達90%的壓縮形變而完全恢復原狀并免遭結構破壞，同時表現出如彈簧般的超彈性和抗疲勞性能。其次，力學模型分析進一步揭示該材料壓縮循環過程的超低能量損耗主要是來自于微拱單元之間的摩擦耗散，而非微結構的永久性破壞。各項研究表明，這一超彈性碳材料明顯區別于國際已報到其他低密度、可壓縮型結構材料。

這類具有層狀微拱結構的碳納米組裝體材料因其優越的超彈性耐疲勞性能及其耐高低溫能力，有望在特種條件下的力學傳感和探測等領域獲得應用。

該項工作表明，現有成熟的宏觀結構設計對于設計材料的微觀結構同樣具有指導意義。這種受宏觀結構啟發設計制備微觀結構材料的理念，將為研究人員提供更多的材料設計空間。

圖一、通過雙向冷凍聯合熱處理過程獲得碳-石墨烯（C-G）宏觀彈性體材料

(a) 材料制備過程示意圖；(b)材料的微觀層狀連拱結構；(c)材料的無定型碳-石墨烯復合組分；(d) 材料在高應變條件下的壓縮應力應變曲線；(e) 高速相機捕捉的該材料快速彈起金屬球的過程；(f,g) 材料的回彈速度(f)和壓縮循環中能量損耗(g)同其他相關材料的比較。

圖二、材料的機械性能分析及理論模擬

(a) C-G 彈性體薄層之間的鏈接細節；(b) 理論模擬顯示該材料的結構單位模型薄殼結構在發生大變形時其內部具有很小應變；(c) 分析該結構單元彈性性能的結構模型；(d) 具有不同層厚的C-G 彈性體（藍色）及薄殼模型（紅色）的壓縮應力；(e) 有不同收縮程度的C-G 彈性體（藍色）及不同半徑的薄殼模型（紅色）的壓縮應力；(f) 分析相鄰拱單元之間摩擦情況的結構模型；(g) 理論模擬得到的交錯的拱單元之間相互擠壓時的應力應變曲線；(h) 理論模擬得到的對應(g)中20%應變時模型的能量分布情況。

圖三、具有不同結構的C-G宏觀材料之間機械性能對比