最近,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組受自然界蜘蛛網(wǎng)同時(shí)具有高強(qiáng)度和彈性的啟發(fā),巧妙通過(guò)模板法,制備了一系列具有納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的硬碳?xì)饽z。該系列氣凝膠具有超彈性、抗疲勞以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。研究成果被選為封底論文發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。
氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量,有時(shí)也被稱(chēng)為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。氣凝膠貌似“弱不禁風(fēng)”,其實(shí)非常堅(jiān)固耐用。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力,在溫度達(dá)到1200攝氏度時(shí)才會(huì)熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低,絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強(qiáng)39倍。由于具備這些特性,氣凝膠便成為航天探測(cè)中不可替代的材料,俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”探測(cè)器都用它來(lái)進(jìn)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。軟碳和硬碳主要用于描述聚合物熱解制備的碳材料,在熱解過(guò)程中,一些碳原子重構(gòu)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(chēng)為軟碳;如果這些石墨烯片隨機(jī)堆疊并通過(guò)邊緣碳原子交聯(lián),高溫下不能石墨化,這種碳則稱(chēng)為硬碳。
通常來(lái)說(shuō),石墨碳和軟碳具有高彈性,容易變形,但是強(qiáng)度較低;由于硬碳微觀上亂層“紙牌屋”結(jié)構(gòu)的存在,硬碳材料在機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì),但是本征性質(zhì)較脆且易碎。如何將硬碳材料制備成超彈性塊材是目前面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。
研究人員通過(guò)使用間苯二酚-甲醛(RF)樹(shù)脂作為硬碳源,以多種一維納米纖維作為結(jié)構(gòu)模板制備RF的納米纖維氣凝膠,通過(guò)高溫碳化即可得到超彈性硬碳?xì)饽z。這種硬碳?xì)饽z微觀結(jié)構(gòu)精細(xì),由大量的納米纖維和納米纖維之間的焊接點(diǎn)構(gòu)成。這種方法簡(jiǎn)單高效,容易規(guī)?;a(chǎn),通過(guò)調(diào)節(jié)模板與樹(shù)脂單體的添加量,可簡(jiǎn)便地調(diào)控納米纖維的直徑、氣凝膠的密度、機(jī)械性能等。
與傳統(tǒng)硬而脆的硬碳?jí)K材不同,這種硬碳?xì)饽z表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性性能,如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在壓縮50%之后,微觀結(jié)構(gòu)依然能恢復(fù);回彈速度高于眾多石墨碳基的彈性材料;低能量損耗系數(shù),一般石墨及軟碳材料內(nèi)部存在的分子間作用力,會(huì)造成粘附力和摩擦力從而耗散很多能量;抗疲勞性,在50%應(yīng)變下測(cè)試104個(gè)循環(huán)后,碳?xì)饽z僅顯示2%的塑性變形,并保持93%的初始應(yīng)力。
研究人員還探索了這種硬碳?xì)饽z在彈性導(dǎo)體方面的應(yīng)用,在50%的應(yīng)變下多次壓縮循環(huán)后,電阻幾乎不變,展示出穩(wěn)定的機(jī)械-電學(xué)性能,同時(shí)可以在苛刻的條件下(例如在液氮中)保持超彈性及電阻穩(wěn)定性。
正是基于其優(yōu)異的機(jī)械性能,這種硬碳?xì)饽z有望應(yīng)用于具有高穩(wěn)定性、大量程、可拉伸或可彎曲的應(yīng)力傳感器。此外,這種方法可擴(kuò)展到制備其他非碳基復(fù)合納米纖維氣凝膠,為今后提供了一種通過(guò)設(shè)計(jì)納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)將剛性材料轉(zhuǎn)變成彈性或柔性材料的新途徑。