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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(diǎn)擊量：7747

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)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(jìn)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(chǔ)，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(chǔ)化工材料逐步過渡至新興材料、新能源材料、半導(dǎo)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(xué)品等一批新材料正在研發(fā)生產(chǎn)中。學(xué)科交叉融合，研究新進(jìn)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(yīng)用進(jìn)行調(diào)控，其尺寸處于納米級和微米級大孔之間。因應(yīng)用范圍廣泛，多孔碳材料一直是材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。
 
　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)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(jìn)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(yīng)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(dǎo)電性以及獨(dú)特變形機(jī)制、機(jī)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(yīng)變傳感器件，并在此基礎(chǔ)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(wù)。
 
　　如何將材料和彈簧結(jié)合，“碳彈簧”的黃金點(diǎn)子如何誕生，這還要從人體結(jié)構(gòu)談起。俞書宏團(tuán)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(jī)械柔韌性是決定碳材料實際應(yīng)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(luò)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(dú)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(jī)制。
 
　　不僅如此，“碳彈簧”具有化學(xué)穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性、機(jī)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(diǎn)，其在吸附、催化、電化學(xué)儲能、極端環(huán)境等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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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