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中國科大俞書宏團隊：超彈性硬碳氣凝膠

2019-06-07 13:12:46

碳(tan)材(cai)(cai)(cai)料(liao)按碳(tan)原(yuan)(yuan)子雜化(hua)(hua)軌道(dao)的不(bu)同大致可分為(wei)石(shi)墨(mo)碳(tan)、軟碳(tan)和(he)硬(ying)(ying)碳(tan)。軟碳(tan)和(he)硬(ying)(ying)碳(tan)主要用于描述聚合物熱解(jie)制備的碳(tan)材(cai)(cai)(cai)料(liao)，在(zai)(zai)熱解(jie)過程中，一些碳(tan)原(yuan)(yuan)子重構成二(er)維芳族石(shi)墨(mo)烯片，如果這些石(shi)墨(mo)烯片大致平(ping)行(xing)，在(zai)(zai)高(gao)溫下則(ze)容(rong)易(yi)石(shi)墨(mo)化(hua)(hua)，這種碳(tan)被稱為(wei)軟碳(tan)；如果這些石(shi)墨(mo)烯片隨機(ji)堆疊(die)并通過邊(bian)緣碳(tan)原(yuan)(yuan)子交聯，高(gao)溫下不(bu)能(neng)石(shi)墨(mo)化(hua)(hua)，這種碳(tan)則(ze)稱為(wei)硬(ying)(ying)碳(tan)。通常來(lai)說，石(shi)墨(mo)碳(tan)和(he)軟碳(tan)具有高(gao)彈性(xing)，容(rong)易(yi)變形，但(dan)是強度(du)較低；由于大量sp3-C引(yin)起的硬(ying)(ying)碳(tan)微(wei)觀上亂層“紙牌(pai)屋(wu)”結構的存在(zai)(zai)，硬(ying)(ying)碳(tan)材(cai)(cai)(cai)料(liao)在(zai)(zai)機(ji)械(xie)強度(du)和(he)結構穩定性(xing)方面展現出(chu)極大的優勢，但(dan)是本征性(xing)質較脆且易(yi)碎。如何(he)將硬(ying)(ying)碳(tan)材(cai)(cai)(cai)料(liao)制備成超彈性(xing)塊材(cai)(cai)(cai)是目前(qian)面臨的一個(ge)挑戰(zhan)。


最(zui)近，中國(guo)科學技術大(da)學教授俞書宏領(ling)導的(de)(de)課題(ti)組受(shou)自(zi)然界(jie)蜘蛛(zhu)網(wang)同時具(ju)有(you)高(gao)強度(du)和彈性的(de)(de)啟(qi)發(fa)(fa)，巧妙通(tong)過模板法(fa)構筑納(na)米(mi)纖維(wei)(wei)網(wang)絡(luo)(luo)結構，制(zhi)備了一(yi)系(xi)列(lie)具(ju)有(you)納(na)米(mi)纖維(wei)(wei)網(wang)絡(luo)(luo)結構的(de)(de)硬碳氣凝膠(jiao)。該(gai)系(xi)列(lie)氣凝膠(jiao)具(ju)有(you)超彈性、抗疲勞以及(ji)穩定性好等(deng)優點(dian)。研究論文以Superelastic hard carbon nanofiber aerogels 為(wei)(wei)題(ti)近期發(fa)(fa)表在《先進(jin)材料(liao)》上（Advanced Materials 2019, 1900651），并(bing)被選為(wei)(wei)封(feng)底論文。論文的(de)(de)共同第一(yi)作(zuo)者(zhe)為(wei)(wei)中國(guo)科大(da)博士后于志龍(long)和博士生秦(qin)冰。

論文鏈(lian)接：
//onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900651
 
研究人(ren)員通(tong)過使(shi)用(yong)間苯二酚-甲(jia)醛（RF）樹(shu)脂作(zuo)為(wei)硬碳源，以多種一(yi)維(wei)納米纖維(wei)作(zuo)為(wei)結(jie)構模板制(zhi)備RF的(de)納米纖維(wei)氣(qi)凝膠(jiao)(jiao)，通(tong)過高(gao)溫碳化即(ji)可得到超彈性硬碳氣(qi)凝膠(jiao)(jiao)。這種硬碳氣(qi)凝膠(jiao)(jiao)微觀結(jie)構精細(xi)，由大(da)量的(de)納米纖維(wei)和(he)納米纖維(wei)之間的(de)焊接點構成（圖1）。這種方法簡單(dan)高(gao)效(xiao)，容易(yi)放大(da)生產，通(tong)過調(diao)(diao)節(jie)模板與(yu)樹(shu)脂單(dan)體的(de)添加量，可簡便地調(diao)(diao)控納米纖維(wei)的(de)直徑、氣(qi)凝膠(jiao)(jiao)的(de)密度、機械(xie)性能等。
 
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圖1. 硬碳(tan)氣凝(ning)膠(jiao)的制備。（a）示(shi)意圖，表(biao)明通(tong)過使用納(na)米線(xian)作為(wei)模板的通(tong)用合成(cheng)方法；（b）以BCNF@RF為(wei)例，宏量合成(cheng)RF納(na)米纖維(wei)水(shui)凝(ning)膠(jiao)；（c）硬碳(tan)氣凝(ning)膠(jiao)SEM圖像；（d）顯示(shi)納(na)米纖維(wei)網狀結構和纖維(wei)-纖維(wei)的焊接點。

與傳統(tong)硬(ying)(ying)而脆的(de)(de)硬(ying)(ying)碳(tan)(tan)塊材不同(tong)，這種(zhong)硬(ying)(ying)碳(tan)(tan)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)表現出優異的(de)(de)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)性(xing)(xing)能（圖2），主要包(bao)括：結(jie)構(gou)穩定性(xing)(xing)（在(zai)(zai)壓縮(suo)50%之(zhi)后，微觀(guan)結(jie)構(gou)依然能恢復）；高回彈(dan)(dan)速度（860 mm s-1），高于眾多石(shi)墨碳(tan)(tan)基的(de)(de)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)材料；低(di)能量(liang)損耗系數(shu)（<0.16），一般(ban)石(shi)墨及軟(ruan)碳(tan)(tan)材料內部(bu)存在(zai)(zai)的(de)(de)分子間作用(yong)力(li)(li)(li)(li)，會造(zao)成粘(zhan)附力(li)(li)(li)(li)和摩擦力(li)(li)(li)(li)從而耗散很多能量(liang)；抗疲勞性(xing)(xing)，在(zai)(zai)50%應(ying)變下(xia)(xia)測試104個循(xun)環后，碳(tan)(tan)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)僅(jin)顯示(shi)2%的(de)(de)塑性(xing)(xing)變形，并保持93%的(de)(de)初始應(ying)力(li)(li)(li)(li)。研究人員還(huan)探索了這種(zhong)硬(ying)(ying)碳(tan)(tan)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)在(zai)(zai)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)導體方面的(de)(de)應(ying)用(yong)，在(zai)(zai)50%的(de)(de)應(ying)變下(xia)(xia)多次(ci)壓縮(suo)循(xun)環后，電阻幾(ji)乎(hu)不變，展示(shi)出穩定的(de)(de)機械-電學性(xing)(xing)能，同(tong)時可以在(zai)(zai)苛刻的(de)(de)條件下(xia)(xia)（例(li)如在(zai)(zai)液氮中）保持超彈(dan)(dan)性(xing)(xing)及電阻穩定性(xing)(xing)。
 
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圖(tu)2. 碳(tan)氣凝(ning)膠的機械性能。（a）BCNF@C氣凝(ning)膠的原(yuan)位SEM；（b）不(bu)同材料能量損耗系數的對比；（c）不(bu)同材料回(hui)彈速度的對比；（d）碳(tan)氣凝(ning)膠不(bu)同循環(huan)下的應力-應變(bian)曲線。

基于其優異(yi)的(de)機(ji)械性(xing)能，這種硬(ying)碳氣凝(ning)膠(jiao)有(you)望應用(yong)于具有(you)高穩定(ding)性(xing)、大量程（50 KPa）、可(ke)拉伸或(huo)可(ke)彎曲的(de)應力傳感器。此外，這種方法可(ke)擴展到制備(bei)其他(ta)非碳基復合(he)納米(mi)纖維氣凝(ning)膠(jiao)，為今后提供了一種通過設計納米(mi)纖維的(de)微觀結構將(jiang)剛性(xing)材(cai)料轉變成(cheng)彈性(xing)或(huo)柔性(xing)材(cai)料的(de)新途徑。
 
該項(xiang)(xiang)研(yan)(yan)究(jiu)受到國家(jia)自然(ran)科(ke)(ke)學基金委(wei)創(chuang)新(xin)研(yan)(yan)究(jiu)群體、國家(jia)自然(ran)科(ke)(ke)學基金重點項(xiang)(xiang)目(mu)、中科(ke)(ke)院前沿(yan)科(ke)(ke)學重點研(yan)(yan)究(jiu)項(xiang)(xiang)目(mu)、中科(ke)(ke)院納米(mi)科(ke)(ke)學卓越(yue)創(chuang)新(xin)中心、蘇州納米(mi)科(ke)(ke)技(ji)協同創(chuang)新(xin)中心等(deng)的資助(zhu)。 
  
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