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中科大設計出超彈性耐疲勞宏觀(guān)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：2701
近日，中國科學(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計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構材料具有極其重要的應用價(jià)值?？蓧嚎s性、回彈性和抗疲勞性能是決定這類(lèi)材料性能和應用的主要因素。為了提高這些性能指標，研究人員一直致力于探索各種新策略，主要包括設計特殊的多孔結構，或采用柔性而強健的結構組分。目前，盡管材料的可壓縮性已經(jīng)達到較高水平，但是如何實(shí)現其在高應變壓縮循環(huán)過(guò)程中的快速回彈以及較小的能量損失，并保持其結構與性能的穩定卻一直面臨著(zhù)巨大挑戰。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)達到較優(yōu)水平。這是因為在反復的高應變壓縮過(guò)程中，其內部微結構往往由于不能有效地適應較大的應力和應變，會(huì )不可避免地發(fā)生永久性受損或斷裂，而這些結構破壞必將導致較大能量損耗，并造成材料的永久性塑性形變和壓縮強度的顯著(zhù)降低。因此，合理的微結構設計對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(lèi)足弓等常見(jiàn)宏觀(guān)彈性拱結構的啟發(fā)，通過(guò)巧妙的實(shí)驗設計，成功制備了一種具有微觀(guān)層狀連拱結構的宏觀(guān)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-石墨烯復合物）構筑而成，但其同時(shí)展現出高度可壓縮性（垂直層方向壓縮90%形變后完全恢復原狀，與國際現有水平相當）、超彈性（580 mm/s的回彈速度，遠高于國際已報道材料170 mm/s的最高水平；能量耗散因子約0.2，明顯低于國際上已報道材料0.3~0.8的平均水平）、超強抗疲勞性能（20%應變循環(huán)壓縮106次，優(yōu)于國際已報道15%應變循環(huán)壓縮0.5×106次和6%應變循環(huán)壓縮106次的水平）。
為了實(shí)現這一特殊結構，研究人員首先設計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構的CS-GO宏觀(guān)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構皺縮成所需的層狀連拱結構。上述兩步過(guò)程的巧妙結合對實(shí)現這一特殊多級結構是必不可少的，例如，通過(guò)雙向冷凍獲得的取向一致的層狀結構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)一步構建力學(xué)模型，對這一材料的超常性能進(jìn)行了系統的分析。結果表明，構成該材料的微拱結構單元和宏觀(guān)薄殼型拱結構一致，可以發(fā)生可逆的面外大尺度彈性變形，同時(shí)保持其面內所受的應力和應變極小。因此，由取向一致的微拱單元相互堆垛構成的材料整體，即使其構筑組分本身是脆性的，也可以適應高達90%的壓縮形變而完全恢復原狀并免遭結果破壞，同時(shí)表現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，而非微結構的永久性破壞。研究結果表明，這一超彈性碳材料明顯區別于國際已報道的其他低密度、可壓縮型結構材料。
此類(lèi)具有層狀微拱結構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)傳感和探測等領(lǐng)域獲得應用。該研究還表明，現有成熟的宏觀(guān)結構設計對于設計材料的微觀(guān)結構同樣具有指導意義。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委創(chuàng )新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、國家重大科學(xué)研究計劃、中科院重點(diǎn)部署項目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目、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(hù)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(guān)彈性體材料。(a)材料制備過(guò)程示意圖；(b)材料的微觀(guān)層狀連拱結構；(c)材料的無(wú)定型碳-石墨烯復合組分；(d) 材料在高應變條件下的壓縮應力應變曲線(xiàn)；(e) 高速相機捕捉的該材料快速彈起金屬球的過(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.材料的機械性能分析及理論模擬。(a) C-G彈性體薄層之間的鏈接細節；(b) 理論模擬顯示該材料的結構單位模型薄殼結構在發(fā)生大變形時(shí)其內部具有很小應變；(c) 分析該結構單元彈性性能的結構模型；(d)具有不同層厚的C-G彈性體（藍色）及薄殼模型（紅色）的壓縮應力；(e)有不同收縮程度的C-G彈性體（藍色）及不同半徑的薄殼模型（紅色）的壓縮應力；(f) 分析相鄰拱單元之間摩擦情況的結構模型；(g) 理論模擬得到的交錯的拱單元之間相互擠壓時(shí)的應力應變曲線(xiàn)；(h) 理論模擬得到的對應(g)中20%應變時(shí)模型的能量分布情況。
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