硬碳材料作為描述聚合物熱解制備的碳材料，在機械強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，但是本征性質(zhì)較脆且易碎。近日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏教授制備了一系列具有納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的硬碳氣凝膠。該系列氣凝膠具有超彈性、抗疲勞以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點，有望在應(yīng)用于具有高穩(wěn)定性、大量程(50 KPa)、可拉伸或可彎曲的應(yīng)力傳感器。
硬碳氣凝膠的制備。
- （a）示意圖，表明通過使用納米線作為模板的通用合成方法；
- （b）以BCNF@RF為例，宏量合成RF納米纖維水凝膠；
- （c）硬碳氣凝膠SEM圖像；
- （d）顯示納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和纖維-纖維的焊接點。
碳材料可按碳原子雜化軌道的不同大致可分為石墨碳、軟碳和硬碳。軟碳和硬碳主要用于描述聚合物熱解制備的碳材料，在熱解過程中，一些碳原子重構(gòu)成二維芳族石墨烯片，如果這些石墨烯片大致平行，在高溫下則容易石墨化，這種碳被稱為軟碳；如果這些石墨烯片隨機堆疊并通過邊緣碳原子交聯(lián)，高溫下不能石墨化，這種碳則稱為硬碳。通常來說，石墨碳和軟碳具有高彈性，容易變形，但是強度較低；由于大量sp3-C引起的硬碳微觀上亂層“紙牌屋”結(jié)構(gòu)的存在，硬碳材料在機械強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，但是本征性質(zhì)較脆且易碎。如何將硬碳材料制備成超彈性塊材是目前面臨的一個挑戰(zhàn)。
最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組受自然界蜘蛛網(wǎng)同時具有高強度和彈性的啟發(fā)，巧妙通過模板法構(gòu)筑納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備了一系列具有納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的硬碳氣凝膠。該系列氣凝膠具有超彈性、抗疲勞以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
硬碳氣凝膠的制備。
- (a)示意圖，表明通過使用納米線作為模板的通用合成方法；
- (b)以BCNF@RF為例，宏量合成RF納米纖維水凝膠；
- (c)硬碳氣凝膠SEM圖像；
- (d)顯示納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和纖維-纖維的焊接點。
與傳統(tǒng)硬而脆的硬碳塊材不同，這種硬碳氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性性能，主要包括：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(在壓縮50%之后，微觀結(jié)構(gòu)依然能恢復(fù))；高回彈速度(860 mm s-1)，高于眾多石墨碳基的彈性材料；低能量損耗系數(shù)(<0.16)，一般石墨及軟碳材料內(nèi)部存在的分子間作用力，會造成粘附力和摩擦力從而耗散很多能量；抗疲勞性，在50%應(yīng)變下測試104個循環(huán)后，碳氣凝膠僅顯示2%的塑性變形，并保持93%的初始應(yīng)力。研究人員還探索了這種硬碳氣凝膠在彈性導(dǎo)體方面的應(yīng)用，在50%的應(yīng)變下多次壓縮循環(huán)后，電阻幾乎不變，展示出穩(wěn)定的機械-電學(xué)性能，同時可以在苛刻的條件下(例如在液氮中)保持超彈性及電阻穩(wěn)定性。
基于其優(yōu)異的機械性能，這種硬碳氣凝膠有望在應(yīng)用于具有高穩(wěn)定性、大量程(50 KPa)、可拉伸或可彎曲的應(yīng)力傳感器。此外，這種方法可擴展到制備其他非碳基復(fù)合納米纖維氣凝膠，為今后提供了一種通過設(shè)計納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)將剛性材料轉(zhuǎn)變成彈性或柔性材料的新途徑。
