7月9日，清華大學航天航空學院李曉雁長聘副教授課題組與美國布朗大學、加州理工大學合作，在《自然·納米科技》（Nature Nanotechnology）發表了題為“微米熱解碳的理論強度與類橡膠變形行為”（Theoretical strength and rubber-like behavior in micro-sized pyrolytic carbon）的研究論文，標志著課題組在熱解碳材料制備和力學表征方面取得重要進展。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0486-y

對于結構材料而言，材料力學性能之間通常存在一定的矛盾和互斥，如高強度與低密度互斥、高強度與大變形互斥、高強度與高韌性互斥等。這些力學性能之間的矛盾和互斥成為嚴重制約結構材料發展的主要瓶頸。近幾十年來，如何實現結構材料同時具有超輕、高強度、大變形等優異力學性能是現代材料設計和制造的一個巨大挑戰，也是固體力學和材料科學領域研究的熱點問題。

圖1. 微納米熱解碳的原位電鏡力學測試：（a）壓縮強度隨直徑的變化；（b）原位壓縮多周測試；（c）微納米熱解碳典型的應力-應變曲線；（d）原位壓縮時的電鏡照片。

在本項工作中，研究者將雙光子光刻與高溫熱解技術相結合，通過控制試樣尺寸、熱解溫度等重要參數，成功地制備了直徑為幾百納米到十幾微米的熱解碳圓柱。通過高分辨率透射電鏡、拉曼光譜以及電子能量損失光譜等技術表征，發現這些熱解碳是由1納米左右的彎曲的石墨片隨機排布組合而成。研究者在掃描電鏡中對這些熱解碳進行了原位壓縮和拉伸測試，結果表明：這些熱解碳的平均拉伸強度達到1.6 GPa；而壓縮強度表現出明顯的尺度效應，隨著直徑的減小，熱解碳的強度呈現出冪指數級的增長（圖1a）。當直徑小于2.3微米時，熱解碳的強度高達13.7 GPa，達到材料的理論極限強度，符合早先的理論預測。其彈性極限達到20-30%，這意味著當材料壓縮20-30%之后進行卸載，材料能夠幾乎完全恢復（圖1b）。

更為奇妙的是，熱解碳在宏觀尺度上表現為脆性，而在微納米尺度上，這些微納米熱解碳柱能夠承受50%的壓縮應變而不出現明顯的破壞，并展示出類橡膠的力學行為（圖1c和1d）。

此外，通過實驗測量，這些微納米熱解碳的密度僅有1.4 g/cm3。因此，這些熱解碳的最大比壓縮強度達到9.79GPa cm3/g，超過了多晶金剛石（被認為是具有最高比強度的塊體材料）的比壓縮強度。由于這些微納米熱解碳同時具有低的密度和超高的強度，因此克服了材料低密度和高強度的互斥，在強度-密度的Ashby圖中落在了材料性能的極限區域（圖2a）。這些微納米熱解碳同時具有超高的強度/比強度和較大的斷裂應變，在一定程度上克服了材料高強度與高韌性的矛盾，從而占據了在比強度-斷裂應變的Ashby設計圖中右上角的空白區域（圖2b）。

圖2. 微納米熱解碳的力學性能：（a）強度-密度的Ashby圖；（b）比強度-斷裂應變的Ashby圖。

研究者同時進行了大規模的原子尺度模擬，揭示了材料變形和破壞的微觀機理，以及材料的力學性能與微結構之間的關聯。根據實驗觀測，研究者首先構建了與實驗樣品微結構一致的原子模型，然后對其進行了單向壓縮和拉伸的數值模擬。模擬結果表明：微納米熱解碳的壓縮變形主要是由石墨烯的滑移和剪切以及整體結構的密實化主導（圖3a），而拉伸變形主要是由納米孔洞的形核和長大或初始微裂紋缺陷的擴展主導（圖2b）。原子尺度模擬揭示了微納米熱解碳優異的力學性能主要歸因于微納米熱解碳的微結構。

圖3. 微納米熱解碳變形和破壞的分子動力學模擬：（a）壓縮比變形；（b）拉伸變形。

近年來，李曉雁副教授課題組主要從事新型微納米結構材料的設計、制備和力學行為研究，在相關領域取得了多項重要的成果。相關工作發表在《自然材料》（Nature Materials）《自然通訊》（Nature Communications）《科學進展》（Science Advances）《先進材料》（Advanced Materials）以及《美國化學學會-納米材料》（ACS Nano）等期刊上。

論文共同第一作者為清華大學航天航空學院張璇博士、2015級博士生鐘磊和加州理工學院博士生Arturo Mateos，清華大學為論文第一單位。論文共同通訊作者為清華大學李曉雁長聘副教授、布朗大學高華健教授和加州理工學院Julia R. Greer教授。該論文得到了國家自然科學基金和科技部青年973項目的經費支持。