碳?xì)饽z是目前極少數(shù)可在極高溫度（2000℃以上）無氧環(huán)境下保持力學(xué)穩(wěn)定性的氣凝膠材料，在國防、能源及智能傳感等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，但其脆性限制了其廣泛應(yīng)用。近年來，科研人員以石墨烯、碳納米纖維、碳納米管等柔性納米結(jié)構(gòu)為基本組成單元，相繼開發(fā)出了具有一定壓縮回彈特性的氣凝膠。但其壓縮強度普遍偏低（幾到幾百千帕），承載能力不足。但提高氣凝膠的承載能力，往往又伴隨著其變形能力的下降。因此，如何破解高承載和大變形之間的矛盾，進一步提升碳?xì)饽z的綜合力學(xué)性能，仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近日，西安交通大學(xué)材料學(xué)院王紅潔教授課題組以前期研發(fā)的硅基陶瓷氣凝膠為模板，將犧牲模板法和化學(xué)氣相沉積法相結(jié)合，研發(fā)出了一種由sp2-sp3雜化的柔性碳管組成的、具有高度交聯(lián)互鎖的均勻三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的層狀碳?xì)饽z。該氣凝膠中高度交聯(lián)互鎖的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予了材料優(yōu)異的協(xié)同變形能力，可有效避免在壓縮過程中局部應(yīng)力集中所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破壞；而碳管中局部存在的sp3鍵則可在一定程度上抑制管壁間由于弱范德華鍵所造成的相對滑移，進而提高管狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及剛度。因此，該氣凝膠材料（密度僅為~12-40 mg/cm3）不僅保持了優(yōu)異的壓縮回彈性（99%壓縮應(yīng)變完全可回彈），還獲得了高承載能力（最大壓縮應(yīng)力高于20MPa），以及抗疲勞特性（99%應(yīng)變循環(huán)1000次永久變形小于1.5%），同時還具有超高的耐溫特性（2500℃惰性氣氛）。這些綜合性能使其具備了在極端環(huán)境下的應(yīng)用價值。

該研究成果以“Highly cross-linked carbon tube aerogels with enhanced elasticity and fatigue resistance”為題近日在線發(fā)表于《自然通訊》（Nature communications）上。西安交通大學(xué)材料學(xué)院青年教師莊磊為論文第一作者，王紅潔教授為論文通訊作者。西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室是該工作的唯一通訊單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（92263204、52102077、 52072294）的支持。

論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-023-38664-6

碳管氣凝膠（CTA）的結(jié)構(gòu)。

碳管氣凝膠（CTA）的機械性能。

碳管氣凝膠（CTA）的壓縮機理。

本研究提出了一種制造高性能CTA的有效方法。高度互連的碳管與sp2-sp3混合鍵合可實現(xiàn)快速負(fù)載轉(zhuǎn)移。結(jié)果，CTA具有低密度（~12-40毫克厘米）?3）表現(xiàn)出良好的機械性能，包括高機械強度（8.2-20.9 MPa）、抗壓彈性（高達99%應(yīng)變）和抗疲勞性（在1%應(yīng)變下，5次壓縮循環(huán)后永久變形小于1000.99%）。此外，CTA在Ar氣氛中具有高達2500°C的高熱穩(wěn)定性。