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陶瓷和石墨烯完美結(jié)合的超高性能輕質(zhì)材料

2017-08-28 13:43:52 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科技在線分享至：

上圖是一種新型的輕質(zhì)、高強、阻燃和高彈性的超材料，這些優(yōu)異的性能使其在各大領(lǐng)域中具有潛在的應用價值。

來自美國普渡大學的研究人員，與蘭州大學和哈爾濱工業(yè)大學的團隊，以及美國空軍研究實驗室的科學家們合作，他們認為將氧化鋁納米層和石墨烯結(jié)合在一起的超材料，可以應用于包括建筑和航空航天在內(nèi)的多個行業(yè)。

普渡大學工業(yè)工程學院的副教授GaryCheng在一份聲明中表示：“這種材料甚至要比羽毛都輕，因為它具有極低的密度，同時還擁有著非常高的比強度。”

GaryCheng補充道：“如今陶瓷組件的優(yōu)異性能已被應用于許許多多的領(lǐng)域之中，例如保溫材料、智能傳感器、電磁波吸收材料和防腐蝕涂層等。”

這種超材料內(nèi)部具有蜂窩式微結(jié)構(gòu)，能夠提供超強的彈性和結(jié)構(gòu)魯棒性（結(jié)構(gòu)魯棒性又可稱為結(jié)構(gòu)整體性和牢固性，有時亦可稱為防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌性。它是從從結(jié)構(gòu)概念學角度對結(jié)構(gòu)整體受力性能的一種闡釋，要求結(jié)構(gòu)的構(gòu)件能夠協(xié)調(diào)工作，連接要可靠，構(gòu)成一個牢固的結(jié)構(gòu)整體；結(jié)構(gòu)魯棒性要求結(jié)構(gòu)有多道防線，不致因某一構(gòu)件的失效而造成結(jié)構(gòu)性的破壞，要求結(jié)構(gòu)即便發(fā)生局部破壞后也不至于引發(fā)大范圍的連續(xù)倒塌）。復合材料由夾在陶瓷層之間相互連接的石墨烯所組成。石墨烯支架又被稱為氣凝膠，它是用一種叫做原子層沉積的工藝與陶瓷層進行化學鍵合的。

GaryCheng說：“我們仔細控制了這種石墨烯氣凝膠的幾何形狀，并沉積了一層很薄的陶瓷層。值得一提的是，這種氣凝膠的機械性能具有多功能性，”他補充說，“這項研究有可能使石墨烯成為一種更加實用的功能性材料。”

一般石墨烯在高溫下會自動分解，但是陶瓷氧化鋁卻賦予了其高的耐熱性和阻燃性能，可以用作飛機的隔熱罩。然而陶瓷材料同樣會帶來一些不好的影響，抑制了他們作為功能性材料的應用。

GaryCheng說：“在這里，我們報告了一種多功能的陶瓷——石墨烯超材料，其微結(jié)構(gòu)能夠提供超強的彈性和結(jié)構(gòu)魯棒性，為了實現(xiàn)了這一點，我們通過組合多層彈性單元格，設(shè)計出了一種分層的蜂窩式微結(jié)構(gòu)。這種超材料同時表現(xiàn)出一系列多功能的屬性，這在之前的陶瓷和陶瓷——基體復合結(jié)構(gòu)中還沒有被報道過，”他補充說。

這種輕質(zhì)、高強和極具減震性能的材料，有望使得復合材料成為柔性電子器件和大型應變傳感器的良好基材。它同時還具有很高的電導率，是一種極佳的絕熱材料，可用作阻燃、隔熱涂層以及將熱量轉(zhuǎn)換成電能的傳感器和設(shè)備。

該工藝可能會應用到大規(guī)模地工業(yè)制造中，未來可能會通過改變其晶體結(jié)構(gòu)，或者擴大制造和控制微結(jié)構(gòu)的工藝來優(yōu)化材料的性能。

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責任編輯：殷鵬飛

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