具有超彈性和抗疲勞性的輕質(zhì)可壓縮材料，尤其是其中適應(yīng)廣闊溫度范圍的材料，是航空航天、機(jī)械緩沖、能量阻尼和軟機(jī)器人等領(lǐng)域的理想材料。許多低密度的聚合物泡沫是高度可壓縮的，但它們?cè)谥貜?fù)使用時(shí)往往易疲勞，并在聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變和熔融溫度附近發(fā)生超彈性退化。盡管研究者已經(jīng)開發(fā)出各種熱穩(wěn)定的輕質(zhì)金屬和陶瓷泡沫材料，但它們通常都只具有最小的可逆壓縮性，并且在循環(huán)變形下表現(xiàn)出疲勞。碳納米管和石墨烯因其具有固有的超彈性和熱機(jī)械穩(wěn)定性，近年來(lái)被用作制備輕量超彈性材料的基本材料。雖然已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了這類材料的優(yōu)異性能，但這些工作所涉及的復(fù)雜設(shè)備和制備過程使其只能制備毫米級(jí)尺寸的材料。另一方面，自然中從幾億年進(jìn)化而來(lái)的生物材料以許多機(jī)械效率高的例子吸引著科學(xué)家和工程師，這些材料通常具有復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)。例如，一生中要經(jīng)受多次加載循環(huán)的具有多層纖維組織的動(dòng)物和人的肌腱，以及最古老的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料之一，具有較高的比強(qiáng)度和抗疲勞性能的木材。雖然這些結(jié)構(gòu)生物材料表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，但由于它們是純有機(jī)或有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化結(jié)構(gòu)，通常只能在很窄的溫度范圍內(nèi)工作。因此，將這些非熱穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)生物材料轉(zhuǎn)化為具有固有層次結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定石墨材料，可以創(chuàng)造出熱力學(xué)穩(wěn)定的材料。

【成果簡(jiǎn)介】

最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士研究團(tuán)隊(duì)和梁海偉教授課題組報(bào)道了一種通過熱解化學(xué)控制，將結(jié)構(gòu)生物材料（BC，即細(xì)菌纖維素）熱轉(zhuǎn)化為石墨碳納米纖維氣凝膠（CNFAs）的方法。其制備的碳?xì)饽z完美地繼承了細(xì)菌纖維素從宏觀到微觀的層次結(jié)構(gòu)，具有顯著的熱機(jī)械性能。特別是在經(jīng)歷2×106次壓縮循環(huán)后仍能保持超彈性而不發(fā)生塑性變形，在至少-100~500℃的大范圍溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的不隨溫度變化的超彈性和抗疲勞性能。這種氣凝膠在熱機(jī)械穩(wěn)定性和抗疲勞性能方面比高分子泡沫、金屬泡沫和陶瓷泡沫有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模合成，并具有生物材料的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。相關(guān)成果以“Temperature-Invariant Superelastic and Fatigue Resistant Carbon Nanofiber Aerogels”發(fā)表于Adv. Mater.期刊上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一、宏觀尺寸CNFAs的合成

（a）CNFAs制造工藝示意圖；

（b）純BC和BC浸漬NH4H2PO4、（NH4）2SO4、NH4Cl、（NH4）3PO4、NaH2PO4或KH2PO4的TG曲線；

（c）純BC和BC浸漬不同濃度NH4H2PO4后的TG曲線；

（d）以純BC和BC為原料，在800 °C下加入不同量的NH4H2PO4炭化制備CNFAs（NH4H2PO4的重量比分別為0.5、4.8、16、44和62 wt%）；

（e）1200 ℃下制備的CNFAs的密度和導(dǎo)電性；

（f ~g）在800℃下制備的CNFAs照片，展示了其可以大規(guī)模制備。

圖二、BC氣凝膠和CNFAs的微觀結(jié)構(gòu)

（a）碳?xì)饽z在不同放大倍數(shù)下的SEM圖像，展示了其層次結(jié)構(gòu)；

（b）CNFAs的SEM圖像，說(shuō)明CNFAs完全繼承了BC的層次結(jié)構(gòu)。

圖三、CNFAs的壓縮性能和抗疲勞性能

（a）CNFAs在90%形變下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖為放大的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

（b~e）b）20%應(yīng)變時(shí)2×106次循環(huán)，c）40%應(yīng)變時(shí)1×106次循環(huán)，d）60%應(yīng)變時(shí)5×105次循環(huán)，e）80%應(yīng)變時(shí)2×104次循環(huán)；

（f）CNFAs與報(bào)道材料（包括層狀碳材料、石墨烯涂層碳納米管氣凝膠、石墨烯氣凝膠、碳納米管陣列、PAN-SiO2氣凝膠）的抗疲勞性能比較。每一種材料的形變量也被標(biāo)記出來(lái)。

圖四、CNFAs在T = -100~500℃時(shí)N2中的熱力學(xué)穩(wěn)定的力學(xué)性能

（a~c）形變?yōu)?0%、40%、60%和80%時(shí)CNFAs的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，溫度分別為：a）-100 °C、b）25 °C和c）500 °C；

（d）CNFAs在T = -100-500℃時(shí)的粘彈性（儲(chǔ)存模量、損耗模量和阻尼比）；

（e）CNFA、三聚氰胺、PU和EPE泡沫的儲(chǔ)存模量隨溫度的變化；

（f）不同溫度下CNFAs在1×105次循環(huán)中的儲(chǔ)存模量和損耗模量。

【小結(jié)】

綜上所述，作者開發(fā)了一種利用無(wú)機(jī)鹽對(duì)細(xì)菌纖維素（BC）進(jìn)行熱解化學(xué)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合成、形態(tài)保留的碳化工藝。研究發(fā)現(xiàn)，制備的CNFA較好地繼承了BC從宏觀到微觀的層次結(jié)構(gòu)，在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的不隨溫度改變超彈性和抗疲勞性能。由于CNFA具有優(yōu)異的熱機(jī)械性能和可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展合成，因此作者認(rèn)為，它在各種應(yīng)用領(lǐng)域都有著巨大的潛力，特別是需要在廣闊溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的應(yīng)用領(lǐng)域，如機(jī)械緩沖、壓力傳感器、能量阻尼、航天太陽(yáng)能電池等。