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中國科大俞書宏團隊：超彈性硬碳氣凝膠

2019-05-22 09:28:15 作者：本網(wǎng)整理來源：中國科大分享至：

碳材料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并通過邊緣碳原子交聯(lián)，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；由于大量sp3-C引起的硬碳微觀上亂層“紙牌屋”結構的存在，硬碳材料在機械強度和結構穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，但是本征性質較脆且易碎。如何將硬碳材料制備成超彈性塊材是目前面臨的一個挑戰(zhàn)。

最近，中國科學技術大學教授俞書宏領導的課題組受自然界蜘蛛網(wǎng)同時具有高強度和彈性的啟發(fā)，巧妙通過模板法構筑納米纖維網(wǎng)絡結構，制備了一系列具有納米纖維網(wǎng)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(wěn)定性好等優(yōu)點。研究論文以Superelastic hard carbon nanofiber aerogels 為題近期發(fā)表在《先進材料》上（Advanced Materials 2019, 1900651），并被選為封底論文。論文的共同第一作者為中國科大博士后于志龍和博士生秦冰。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900651

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制備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（圖1）。這種方法簡單高效，容易放大生產(chǎn)，通過調節(jié)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。

圖1. 硬碳氣凝膠的制備。（a）示意圖，表明通過使用納米線作為模板的通用合成方法；（b）以BCNF@RF為例，宏量合成RF納米纖維水凝膠；（c）硬碳氣凝膠SEM圖像；（d）顯示納米纖維網(wǎng)狀結構和纖維-纖維的焊接點。

與傳統(tǒng)硬而脆的硬碳塊材不同，這種硬碳氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性性能（圖2），主要包括：結構穩(wěn)定性（在壓縮50%之后，微觀結構依然能恢復）；高回彈速度（860 mm s-1），高于眾多石墨碳基的彈性材料；低能量損耗系數(shù)（<0.16），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(huán)后，碳氣凝膠僅顯示2%的塑性變形，并保持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(huán)后，電阻幾乎不變，展示出穩(wěn)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(wěn)定性。