科大研制仿生超弹性碳材料取得新进展

2021年08月20日

中国科大研制仿生超弹性碳材料取得新进展

多孔碳材料因其广泛的应用，一直是材料科学领域的研究热点。机械柔韧性是决定其实际应用过程中结构稳定性和耐久性的关键因素。经过过去几十年的大量研究，多孔碳材料的压缩脆性问题得到了很好的解决，多种高度可压缩的弹性多孔碳材料被成功制备。然而，由于三维多孔的碳网络之间连接非常脆弱，如何研制出具有可逆拉伸性能的多孔碳材料仍然是一个大的挑战。

近日，中国科大俞书宏院士团队成功研制出一种兼具高度可压缩性和可拉伸性的超弹性全碳多孔材料，研究人员称其为“碳弹簧”。其独特的微观结构和性能使其成为制造智能振动和磁性传感器件的理想材料，所获得的传感器件甚至能够在极端温度环境下（-100到350 °C）有效地发挥作用。该研究成果以“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring for Smart Vibration and Magnetism Sensors”为题发表在Advanced Materials上。我校副研究员高怀岭和博士生王泽宇、崔晨为论文的共同第一作者。

在此之前，该团队的研究人员受人类“足弓”的宏观弹性拱形结构启发，借助他们发展的双向冰模板技术，成功构筑了由微拱结构单元有序堆叠构成的全碳多孔材料，实现了高度可压缩性和超弹性（Nat. Commun. 2016, 7, 12920）。近来，他们再次从“弓”的弹性变形机制获取灵感，通过深入研究表明，引入的这种独特的长程有序层状微拱结构，不仅可以解决多孔碳材料的压缩脆性问题，同时还可以有效解决其拉伸脆性问题。基于此，研究人员成功研制出这种“碳弹簧”，该碳弹簧可以在-60%至80%的大应变范围内实现可逆的拉伸和压缩形变，并能完全回弹，类似于真正的金属弹簧，这种弹性特性使其与几乎所有先前报道的多孔碳材料区分开来（图1）。此外，研究人员通过结合原位扫描电镜观察和有限元模拟，证实了其弹性变形机制。

图1 碳弹簧制备过程示意图及其微观结构和机械性能特征

鉴于该碳弹簧的独特变形机制和机械性能，以及良好的导电性，研究人员将其作为关键部件，成功研制了可检测微小振动的应变传感器件，其应变检测限至少为±0.5%，可检测的最高振动频率至少为1000 Hz，并能对多种复杂的振动模式做出灵敏的响应，其中包括模拟的地震波振动（图2a-f）。此外，研究人员通过预先将Fe3O4纳米粒子共组装到材料框架中，从而获得了可被磁场驱动的磁性碳弹簧。该磁性碳弹簧也可被用作关键部件，进而制造成了一种新型的磁性传感器件。研究结果表明，该磁性传感器可灵敏地探测到小至0.4 mT的微小磁场（图2g-k）。令人印象深刻的是，这两种传感器件均可以在-100 ℃到350 ℃的极端温度环境中稳定地发挥作用，这种独特优势使其应用到外太空探测任务中成为可能。

图2 碳弹簧在智能振动和磁性传感器件方面的应用

该工作提供了一种用于构筑新型智能振动和磁性传感器的有效途径，并为利用其他无机组分创制能用于极端场合的高度可伸缩型多孔材料提供了新的策略。

这项研究得到了国家自然科学基金创新研究群体资助项目、国家自然科学基金、中科院前沿重点项目、中央高校基本科研业务费专项基金、安徽省高校协同创新项目以及中科大同步辐射联合基金的资助。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102724

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部）

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