中科大研制超彈性全碳材料

2021年9月15日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏團(tuán)隊(duì)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，被稱為“碳彈簧”。

該工作提供了一種用于構(gòu)筑新型智能振動(dòng)和磁性傳感器的有效途徑，并為利用其他無機(jī)組分創(chuàng)制能用于極端場合的高度可伸縮型多孔材料提供了新的策略。

多孔碳材料應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。機(jī)械柔韌性是決定其實(shí)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。經(jīng)過過去幾十年的大量研究，多孔碳材料的壓縮脆性問題得到了很好解決，多種高度可壓縮的彈性多孔碳材料被成功制備。然而，由于三維多孔的碳網(wǎng)絡(luò)之間連接非常脆弱，如何研制出具有可逆拉伸性能的多孔碳材料是一個(gè)大的挑戰(zhàn)。

此前，該團(tuán)隊(duì)的研究人員受人類“足弓”的宏觀彈性拱形結(jié)構(gòu)啟發(fā)，借助他們發(fā)展的雙向冰模板技術(shù)，構(gòu)筑了由微拱結(jié)構(gòu)單元有序堆疊構(gòu)成的全碳多孔材料，實(shí)現(xiàn)了高度可壓縮性和超彈性。

近期，他們再次從“弓”的彈性變形機(jī)制獲取靈感，通過深入研究表明，引入的這種獨(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(shí)還可以有效解決其拉伸脆性問題。

基于此，研究人員成功研制出這種“碳彈簧”，該“碳彈簧”可以在-60%～80%的大應(yīng)變范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可逆的拉伸和壓縮形變，并能完全回彈，類似于真正的金屬彈簧，這種彈性特性使其與幾乎所有先前報(bào)道的多孔碳材料區(qū)分開來。其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和性能使其成為制造智能振動(dòng)和磁性傳感器件的理想材料，所獲得的傳感器件甚至能夠在極端溫度環(huán)境下(-100℃～350℃)有效地發(fā)揮作用。