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中科大設(shè)計(jì)出超彈性耐疲勞宏觀尺度碳納米組裝體材料
發(fā)布者：管理員 發(fā)布時(shí)間：2016-10-10 10:20:25 瀏覽次數(shù)：2694
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書(shū)宏課題組與吳恒安課題組合作，在超彈性耐疲勞碳納米組裝體材料的仿生設(shè)計(jì)制備研究方面取得新進(jìn)展。研究成果發(fā)表在9月27日的《自然-通訊》（Nature Communications）上。
輕質(zhì)低密度和可壓縮型耐疲勞結(jié)構(gòu)材料具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值?？蓧嚎s性、回彈性和抗疲勞性能是決定這類材料性能和應(yīng)用的主要因素。為了提高這些性能指標(biāo)，研究人員一直致力于探索各種新策略，主要包括設(shè)計(jì)特殊的多孔結(jié)構(gòu)，或采用柔性而強(qiáng)健的結(jié)構(gòu)組分。目前，盡管材料的可壓縮性已經(jīng)達(dá)到較高水平，但是如何實(shí)現(xiàn)其在高應(yīng)變壓縮循環(huán)過(guò)程中的快速回彈以及較小的能量損失，并保持其結(jié)構(gòu)與性能的穩(wěn)定卻一直面臨著巨大挑戰(zhàn)。通常，可壓縮性、回彈性及抗疲勞性能很難在一種材料中同時(shí)達(dá)到較優(yōu)水平。這是因?yàn)樵诜磸?fù)的高應(yīng)變壓縮過(guò)程中，其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)往往由于不能有效地適應(yīng)較大的應(yīng)力和應(yīng)變，會(huì)不可避免地發(fā)生永久性受損或斷裂，而這些結(jié)構(gòu)破壞必將導(dǎo)致較大能量損耗，并造成材料的永久性塑性形變和壓縮強(qiáng)度的顯著降低。因此，合理的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)解決這一難題具有重要意義。
俞書(shū)宏課題組的研究人員受人類足弓等常見(jiàn)宏觀彈性拱結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，成功制備了一種具有微觀層狀連拱結(jié)構(gòu)的宏觀尺度碳納米組裝體材料。該材料由脆性易碎的組分（無(wú)定型碳-石墨烯復(fù)合物）構(gòu)筑而成，但其同時(shí)展現(xiàn)出高度可壓縮性（垂直層方向壓縮90%形變后完全恢復(fù)原狀，與國(guó)際現(xiàn)有水平相當(dāng)）、超彈性（580 mm/s的回彈速度，遠(yuǎn)高于國(guó)際已報(bào)道材料170 mm/s的最高水平；能量耗散因子約0.2，明顯低于國(guó)際上已報(bào)道材料0.3~0.8的平均水平）、超強(qiáng)抗疲勞性能（20%應(yīng)變循環(huán)壓縮106次，優(yōu)于國(guó)際已報(bào)道15%應(yīng)變循環(huán)壓縮0.5×106次和6%應(yīng)變循環(huán)壓縮106次的水平）。
為了實(shí)現(xiàn)這一特殊結(jié)構(gòu)，研究人員首先設(shè)計(jì)了一種新型的雙向冷凍技術(shù)，將殼聚糖-氧化石墨烯（CS-GO）混合溶液取向冷凍并干燥，從而獲得具有層狀結(jié)構(gòu)的CS-GO宏觀組裝體；然后再將其通過(guò)高溫碳化處理，依靠碳化過(guò)程中CS和GO收縮程度的不同，使原本較為平坦的薄層結(jié)構(gòu)皺縮成所需的層狀連拱結(jié)構(gòu)。上述兩步過(guò)程的巧妙結(jié)合對(duì)實(shí)現(xiàn)這一特殊多級(jí)結(jié)構(gòu)是必不可少的，例如，通過(guò)雙向冷凍獲得的取向一致的層狀結(jié)構(gòu)保證了最終材料中所有微拱單元的取向一致性，從而保證所有微拱單元在材料整體受壓變形時(shí)同時(shí)發(fā)揮彈性功能。
俞書(shū)宏課題組與吳恒安課題組密切合作，通過(guò)進(jìn)一步構(gòu)建力學(xué)模型，對(duì)這一材料的超常性能進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。結(jié)果表明，構(gòu)成該材料的微拱結(jié)構(gòu)單元和宏觀薄殼型拱結(jié)構(gòu)一致，可以發(fā)生可逆的面外大尺度彈性變形，同時(shí)保持其面內(nèi)所受的應(yīng)力和應(yīng)變極小。因此，由取向一致的微拱單元相互堆垛構(gòu)成的材料整體，即使其構(gòu)筑組分本身是脆性的，也可以適應(yīng)高達(dá)90%的壓縮形變而完全恢復(fù)原狀并免遭結(jié)果破壞，同時(shí)表現(xiàn)出如彈簧般的超彈性和抗疲勞性能。其次，力學(xué)模型分析進(jìn)一步揭示，該材料壓縮循環(huán)過(guò)程的超低能量損耗主要來(lái)自于微拱單元之間的摩擦耗散，而非微結(jié)構(gòu)的永久性破壞。研究結(jié)果表明，這一超彈性碳材料明顯區(qū)別于國(guó)際已報(bào)道的其他低密度、可壓縮型結(jié)構(gòu)材料。
此類具有層狀微拱結(jié)構(gòu)的碳納米組裝體材料因其優(yōu)越的超彈性耐疲勞性能及其耐高低溫能力，有望在特種條件下的力學(xué)傳感和探測(cè)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。該研究還表明，現(xiàn)有成熟的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)材料的微觀結(jié)構(gòu)同樣具有指導(dǎo)意義。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、中科院納米科學(xué)卓越中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金的資助。
圖1.通過(guò)雙向冷凍聯(lián)合熱處理過(guò)程獲得碳-石墨烯（C-G）宏觀彈性體材料。(a)材料制備過(guò)程示意圖；(b)材料的微觀層狀連拱結(jié)構(gòu)；(c)材料的無(wú)定型碳-石墨烯復(fù)合組分；(d) 材料在高應(yīng)變條件下的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；(e) 高速相機(jī)捕捉的該材料快速?gòu)椘鸾饘偾虻倪^(guò)程；(f,g) 材料的回彈速度(f)和壓縮循環(huán)中能量損耗(g)同其他相關(guān)材料的比較。
圖2.材料的機(jī)械性能分析及理論模擬。(a) C-G彈性體薄層之間的鏈接細(xì)節(jié)；(b) 理論模擬顯示該材料的結(jié)構(gòu)單位模型薄殼結(jié)構(gòu)在發(fā)生大變形時(shí)其內(nèi)部具有很小應(yīng)變；(c) 分析該結(jié)構(gòu)單元彈性性能的結(jié)構(gòu)模型；(d)具有不同層厚的C-G彈性體（藍(lán)色）及薄殼模型（紅色）的壓縮應(yīng)力；(e)有不同收縮程度的C-G彈性體（藍(lán)色）及不同半徑的薄殼模型（紅色）的壓縮應(yīng)力；(f) 分析相鄰拱單元之間摩擦情況的結(jié)構(gòu)模型；(g) 理論模擬得到的交錯(cuò)的拱單元之間相互擠壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線；(h) 理論模擬得到的對(duì)應(yīng)(g)中20%應(yīng)變時(shí)模型的能量分布情況。
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