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材料界新寵“碳彈簧”問世 拉伸壓縮性解決碳網(wǎng)脆性問題
2021年08月24日 10:48:15 來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：7737

近日，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊研制出一種兼具高度可壓縮性和可拉伸性的超彈性全碳多孔材料——“碳彈簧”。該成果發(fā)表在材料期刊《先進材料》上。

　　【化工儀器網(wǎng) 項目成果】 材料是人類社會生活的物質(zhì)基礎，新材料是新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石。近年來，新材料作為“科技發(fā)展的骨肉”，由原材料、基礎化工材料逐步過渡至新興材料、新能源材料、半導體材料、節(jié)能材料。此外，我國龐大的制造業(yè)需求給新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的推動力，高性能工程材料、電子化學品等一批新材料正在研發(fā)生產(chǎn)中。學科交叉融合，研究新進展不斷涌現(xiàn)。
 
　　多孔碳材料是指具有不同結(jié)構(gòu)的碳材料，其孔徑根據(jù)實際應用進行調(diào)控，其尺寸處于納米級和微米級大孔之間。因應用范圍廣泛，多孔碳材料一直是材料科學的研究熱點。
 
　　近日，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊研制出一種兼具高度可壓縮性和可拉伸性的超彈性全碳多孔材料——“碳彈簧”。該成果發(fā)表在材料期刊《先進材料》上。
 
　　“碳彈簧”實際上是一種具有高度可拉伸性和可壓縮性的超彈性全碳多孔材料，它能夠在-60%至80%的大應變范圍內(nèi)實現(xiàn)可逆的拉伸和壓縮形變，并能完全回彈，類似于金屬彈簧。
 
　　由于“碳彈簧”良好的導電性以及獨特變形機制、機械性能，研究人員將其作為關(guān)鍵部件，研制出一款可檢測微小振動的應變傳感器件，并在此基礎上制造出新型磁性傳感器件。該款磁性傳感器可靈敏地探測到小至0.4mT(毫特斯拉)的微小磁場，且可以在-100℃到350℃的極端溫度環(huán)境中穩(wěn)定地發(fā)揮作用。基于多個優(yōu)勢，該款傳感器能夠完成外太空探測任務。
 
　　如何將材料和彈簧結(jié)合，“碳彈簧”的黃金點子如何誕生，這還要從人體結(jié)構(gòu)談起。俞書宏團隊研究人員受人類“足弓”的宏觀彈性拱形結(jié)構(gòu)啟發(fā)，通過雙向冰模板技術(shù)，建構(gòu)出了一種由微拱結(jié)構(gòu)單元有序堆疊構(gòu)成的全碳多孔材料。隨后，“弓”的彈性變形又給予研究人員更多靈感，成功研制出“碳彈簧”。
 
　　機械柔韌性是決定碳材料實際應用過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的關(guān)鍵因素。但由于三維多孔的碳網(wǎng)絡之間連接脆弱，如何研制出具有可逆拉伸性能的多孔碳材料困擾研究人員多年。“碳彈簧”的問世正好解決這一問題。
 
　　“碳彈簧”具有獨特的長程有序?qū)訝钗⒐敖Y(jié)構(gòu)，不僅可以解決多孔碳材料的壓縮脆性問題，同時還可以有效解決其拉伸脆性問題。這種彈性特性使其與幾乎所有先前研發(fā)的多孔碳材料區(qū)分開來。此外，研究人員通過結(jié)合原位掃描電鏡觀察和有限元模擬，證實了其彈性變形機制。
 
　　不僅如此，“碳彈簧”具有化學穩(wěn)定性、高導電性、機械柔韌性好、表面積高，孔道結(jié)構(gòu)豐富、孔徑可調(diào)等特點，其在吸附、催化、電化學儲能、極端環(huán)境等領(lǐng)域得到廣泛應用，如以上提到的傳感器、制動器和能量轉(zhuǎn)換材料等。
 
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