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浙江大学高超教授团队研发出高可拉伸全碳气凝胶弹性体
2018-03-12 来源:中国流变网    点击次数:573次    

  高分子弹性体所表现出的高弹性是一种独特的力学特性,它在日常生活和国民经济的各个领域中具有不可替代的位置。高分子弹性体的高形变量主要来源于线性高分子链段在卷曲和伸直状态下均方末端距的巨大差别,这是一种熵弹性。但是在无机材料中,由于内部较强的共价键、离子键、金属键等强烈的作用力,导致无机材料的弹性变形要小很多。因此,长期以来,如何制备高可拉伸纯无机弹性体是一个难题。

  浙江大学高分子科学与工程学系高超教授团队经过多年研究,于近期取得突破性进展。团队设计制备出高度可拉伸的全碳气凝胶弹性体,同时具有超低密度(5.7 mg cm-3)、高拉伸比(~200%)、低能量损耗(~0.1,低于硅橡胶)、优异抗疲劳性能(106循环)、宽温度适用范围(-198~500℃)等优异性能。

图1. 高可拉伸全碳气凝胶弹性体

  团队提出了多级协同组装方法来实现这种高可拉伸全碳气凝胶。它具有四级结构,从宏观到微观分别是第一级的桁架结构(truss structure),第二级的多边形单元(polygon cells),第三级的屈曲支柱(buckled struts)和第四级的二元协同分子单元(binary molecular blocks)(如图2所示)。其中,第一级的衍架结构由石墨烯3D打印技术进行可控制备,得到具有不同图案的周期结构,实现不同的变形方式;第二级的多边形单元是石墨烯气凝胶材料的基本组成单元;第三级的屈曲结构是通过受限还原过程得到,它可以通过不同的压缩率来调节;第四级结构是由石墨烯和碳纳米管的协同组装构成的,该协同作用可以有效增强气凝胶结构单元壁,提高气凝胶弹性体的弹性模量和抗疲劳性能。

图2. 高可拉伸全碳气凝胶弹性体由多级协同组装方法制得

  这种全碳气凝胶弹性体具有优异的抗疲劳性能,在拉伸200%的状态下,可稳定循环至少100圈;在100Hz, 1%应变的状态下,可稳定循环至少百万次。

图3. 全碳气凝胶弹性体的抗疲劳性能

  这种全新的超轻碳基弹性体组装成应变传感器,可以对复杂的形状变化进行逻辑识别。该传感器首先应用在蛇形机械手臂上,可以准确识别出线型、新月型、S和反S型等形状及其变化。

图4. 全碳气凝胶弹性体组装成可以进行逻辑识别的应变传感器

  该篇工作首次制备得到高度可拉伸的无机全碳气凝胶弹性体,将弹性体的概念拓宽到了无机领域,并改善了弹性体的高低温耐老化性能,拓宽了使用温度范围,为其在柔性器件、智能机器人及航空航天领域的应用奠定了理论基础。同时,这种多级协同组装的方法也为其他无机弹性体的制备提供了一条全新的设计思路。

  高超团队与浙江大学航空航天学院的王宏涛、赵沛教授合作,进行了拉伸试验的原位高分辨透射原位表征,为揭示弹性机理提供了直接的微观实验证据。

  论文发表于期刊 NatureCommunications, 共同第一作者为博士生郭凡、姜炎秋,通讯作者为许震研究员、高超教授。

  Fan Guo, YanqiuJiang, Zhen Xu, Youhua Xiao, Bo Fang, Yingjun Liu, Weiwei Gao, Pei Zhao,Hongtao Wang, Chao Gao. Highly stretchable carbon aerogels. Nature Communications 9,881, doi:10.1038/s41467-018-03268-y (2018).

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-03268-y

 
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