高性能宏觀碳材料，如碳纖維，是各類高強、高模復合材料的基礎，在空天領域發揮著不可替代的戰略性作用。

然而，經過長期的工藝優化，碳纖維的力學性能日益穩定，發展趨勢減緩 （圖1）。另一方面，碳納米結構的發現與自下而上組裝技術的興起為高強輕質材料的發展帶來了新機遇。

圖1.碳纖維、碳納米管纖維與石墨烯薄膜抗拉強度的發展趨勢比較 （Gao et al., Carbon, 2018, 138: 134-142; Gao et al., Bio-inspired graphene-derived membranes, 21st Century Nanoscience - A Handbook, CRC Press, 2019）。

基于碳納米結構制備高強輕質材料的基本原理是定向組裝碳納米結構，最大限度地利用碳納米結構在優勢維度上的力學特性。近二十年來，高質量碳納米結構的制備、改性與組裝技術快速發展，構筑單元及其界面結構持續優化，以碳納米管纖維與石墨烯薄膜為代表的碳納米結構組裝材料發展勢頭強勁。例如，碳納米管纖維抗拉強度已經高達數個吉帕 （圖1），而密度僅約為普通鋼材的六分之一。高強輕質的特性使低維碳基取向材料在軍事及民用領域具有廣闊的應用前景。

圖2. 高性能碳材料的強度-延性悖論。

但是，此類材料尚無法兼具高強度和高延性，展現出強度-延性悖論 （圖2）。經過長久演化，自然界中的許多生物材料具有突出的高強高延性能，這為基于微結構設計材料提供了靈感。例如，得益于包括β折疊結構在內的多種構象及其之間的轉變，蠶絲兼具高強度與高延性的特質。受此啟發，武漢大學的科研人員提出并驗證了通過折疊低維碳結構以實現其宏觀構筑材料高強度和高延性協同的策略 （圖3）。具體而言：

首先，仿照高強高延生物材料的β折疊片層結構，以超柔性碳納米結構為構筑單元取代天然β折疊片層的肽鏈，獲得折疊碳納米結構 （圖3），再將折疊的碳納米結構層層組裝，構建宏觀組裝材料模型；

圖3. （a）蠶繭與蛋白β折疊片層結構；（b）碳納米結構組裝材料與折疊片層結構設計示意圖。

然后，對上述生物啟發材料開展大尺度原子模擬驗證，結果表明上述材料具有優異的動力學穩定性以及高強高延特性 （圖4）。例如，對于兩次折疊碳納米結構材料，理想抗拉強度和斷裂應變分別高達33 GPa和256%，同時界面的剪切、滑移以及折疊的展開顯著提高了材料變形破壞所耗散的能量。

圖4. （a）折疊組裝材料的動力學穩定性計算分析，以及（b）典型應力應變曲線。

最后，開展了折疊微觀結構與材料宏觀強度-延性的關聯研究，獲得了折疊結構特征參數（折疊長度、折疊層數與折疊界面結合能）與宏觀材料強度-延性的定量關系，建立了嵌入折疊結構特征參數的力學模型。對模型參數開展分析，提出了面向材料高強度-高延性需求的微結構設計，以及最大限度利用碳納米結構優異力學特性的組裝策略 （圖5）。

圖5. （a）不同折疊組裝材料的應力應變曲線表明（b）折疊層數n是有效調節其宏觀強度與延展性的有效參量。

該工作基于生物啟發提出了通過微觀結構設計獲取宏觀高強度高延性材料的策略，并使用原子模擬驗證了該策略的可行性，多尺度理論分析給出了高性能碳材料強度-延性微結構的物理圖像。該工作為高強度高延性材料的實驗制備提供了堅實基礎，有助于推動新興高性能碳材料的發展。

近期該工作以“Bio-inspired self-folding strategy to break the trade-off between strength and ductility in carbon-nanoarchitected materials”為題發表在自然伙伴期刊npj Computational Materials。該論文通訊作者為武漢大學土建學院高恩來副研究員，第一作者為武漢大學土建學院2016級本科生賈向正。該研究得到國家自然科學基金、湖北省自然科學基金和中央高校自主科研經費的資助。

作者簡介

高恩來，武漢大學工程力學系副研究員。2013和2018年分別本科和博士畢業于中國農業大學工程力學專業和清華大學固體力學專業。2016至2017年在美國德克薩斯大學-達拉斯分校訪問研究。2018年入職武漢大學土木建筑工程學院工程力學系。主要從事復雜固體微觀結構與宏觀性能關聯等物理力學問題研究。在JMPS, Science, Nature Comm.等主流期刊發表學術論文30余篇；獲授權發明專利2項；應邀撰寫英文專著1章。

相關研究鏈接：http://enlaigao.whu.edu.cn/