超弹性抗疲劳碳纳米纤维气凝胶研制成功

来源：中国微米纳米技术学会

更多精彩，请点击上方蓝字关注我们！

中国科学技术大学俞书宏院士研究团队与梁海伟教授课题组合作，通过热解化学控制，将结构生物材料热转化为石墨碳纳米纤维气凝胶，其完美地继承了细菌纤维素从宏观到微观的层次结构，具有显著的热机械性能，并实现了大规模合成。相关成果日前发表于《先进材料》上。

图1、宏观尺寸CNFAs的合成。（a）CNFAs制造工艺示意图；（b）纯BC和BC浸渍NH4H2PO4、(NH4)2SO4、NH4Cl、(NH4)3PO4、NaH2PO4或KH2PO4的TG曲线；（c）纯BC和BC浸渍不同浓度NH4H2PO4后的TG曲线；（d）以纯BC和BC为原料，在800°C下加入不同量的NH4H2PO4炭化制备CNFAs（NH4H2PO4的重量比分别为0.5、4.8、16、44和62 wt%）；（e）1200 ℃下制备的CNFAs的密度和导电性；（f ~g）在800℃下制备的CNFAs照片，展示了其可以大规模制备。

具有超弹性和抗疲劳性的轻质可压缩材料，是航空航天、机械缓冲、能量阻尼和软机器人等领域的理想材料。许多低密度的聚合物泡沫是高度可压缩的，在重复使用时往往易疲劳，并在聚合物玻璃化转变和熔融温度附近发生超弹性退化。碳纳米管和石墨烯虽具有固有的超弹性和热机械稳定性，但涉及的复杂设备和制备过程使其只能制备毫米级尺寸的材料。另一方面，大自然中从几亿年进化而来的复杂层次结构生物材料，因其优异的力学性能而备受关注，然而由于它们是纯有机或有机/无机复合结构，通常只适合在很窄的温度范围内工作。因此，将这些非热稳定的结构生物材料转化为具有固有层次结构的热稳定石墨材料，有望创造出热力学稳定的材料。

图2、CNFAs在T = -100~500℃时N2中的热力学稳定的力学性能。（a~c）形变为20%、40%、60%和80%时CNFAs的压缩应力-应变曲线，温度分别为：a）-100 °C、b）25 °C和c）500 °C；（d）CNFAs在T = -100-500℃时的粘弹性（储存模量、损耗模量和阻尼比）；（e）CNFA、三聚氰胺、PU和EPE泡沫的储存模量随温度的变化；（f）不同温度下CNFAs在1×105次循环中的储存模量和损耗模量。

该团队发展了一种利用无机盐对细菌纤维素进行热解化学调控方法，实现了大规模合成、形态保留的碳化新工艺，研制的碳纳米纤维气凝胶较好地继承了细菌纤维素从宏观到微观的层次结构，在较宽的温度范围内表现出明显的不随温度改变的超弹性和抗疲劳性能。由于碳纳米纤维气凝胶具有优异的热稳定机械性能并可实现宏量制备，在诸多领域将具有重要的应用前景，特别是适合极端条件下的机械缓冲、压力传感、能量阻尼及航天太阳能电池等。

（来源：科技日报）