Nature Materials 最新文獻解讀：新型超材料—超高比強度的納米晶格

一葉扁舟 7年前 (2016-04-08) 8945瀏覽

【摘要】

德國卡爾斯魯厄理工學院應用材料研究所的科學家最近在Nature Materials上發文，報道了他們通過聚合物熱解過程中的收縮效應，成功制備出直徑約200nm的超強玻璃碳納米晶格，其力學強度接近此類材料的理論強度。同時利用這種納米晶格，成功構建了一種蜂窩結構，其比強度可與金剛石相媲美。這種納米晶結構將有利于促進納米尺度先進構架材料的發展。清華大學李曉雁副研究員同時在Nature Materials對該文獻進行解讀并發表新聞稿。

【解讀】

超材料是通過人工設計周期性結構單元，得到具有自然界材料所不具備的特異性質，如負折射率，負彈性模量，負泊松比等，超材料是科學家研究材料結構與物理性能關系的理想化材料。

輕量力學超材料的強度取決于拓撲結構以及微觀尺寸效應，微晶格材料就是將拉伸支配的拓撲結構與尺寸依賴的強度效應相結合的產物，實驗上一般通過這種輕量力學超材料來研究材料的力學尺寸效應。盡管目前的增材制造技術已經可以制備具有微米甚至納米尺度的輕量超材料及其構架結構，但由于3D制造技術的本身分辨率的極限以及原材料（主要是聚合物樹脂）的硬度和強度限制，目前采用3D激光直接寫入技術所能制備的輕量化超材料一般只能達到微米量級，這就大大限制了輕量超材料在力學性能尺寸效應研究中的應用。

德國KIT的J. Bauer等人利用聚合物微晶格成功突破這些限制，他們利用聚合物熱解過程中的體積收縮和質量損失效應，得到更小更強的碳結構，成功制備出了單層小于1微米，直徑約200nm的超強玻璃碳納米晶格，這也是目前該類材料能夠獲得的（通過聚合物熱解過程中約80%收縮）最小晶格結構，其強度高達3GPa，接近玻璃碳的理論強度。這種納米晶格的比強度是已報道的其他微晶格材料的六倍以上。

他們利用這種納米晶格制備了一種蜂窩結構，測量其有效強度在0.6g/cm3時能夠達到1.3GPa。在體材料中，只有金剛石才能與其相媲美。

【制備方法】

采用雙光子光刻型三維激光寫入技術制備了一種聚合物微米晶格，其圓柱直徑和長度分別為1um和5-10um。通過裂解過程，可以使紫外線固化的樹脂轉化成具有優異物理性能的尺度更小的碳結構，即納米晶格。通過原子層沉積技術/聚合物轉化陶瓷/空心陶瓷結構技術能獲得非常高的強度（密度在1g/cm3以下），甚至可以達到理論強度。

【結果簡析】

圖1 3D打印出用來制備玻璃碳納米晶格的具有微米晶格結構的聚合物：(a) 裂解前的整體結構；(b) 臨近的單組元結構；(c) (d): 裂解后的納米晶格結構