材料界新寵“碳彈簧”問世 拉伸壓縮性解決碳網脆性問題
【化工儀器網 項目成果】 材料是人類社會生活的物質基礎，新材料是新興產業發展的基石。近年來，新材料作為“科技發展的骨肉”，由原材料、基礎化工材料逐步過渡至新興材料、新能源材料、半導體材料、節能材料。此外，我國龐大的制造業需求給新材料產業的發展提供了巨大的推動力，高性能工程材料、電子化學品等一批新材料正在研發生產中。學科交叉融合，研究新進展不斷涌現。
多孔碳材料是指具有不同結構的碳材料，其孔徑根據實際應用進行調控，其尺寸處于納米級和微米級大孔之間。因應用范圍廣泛，多孔碳材料一直是材料科學的研究熱點。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士團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”。該成果發表在材料期刊《先進材料》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%的大應變范圍內實現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”良好的導電性以及獨特變形機制、機械性能，研究人員將其作為關鍵部件，研制出一款可檢測微小振動的應變傳感器件，并在此基礎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℃的極端溫度環境中穩定地發揮作用。基于多個優勢，該款傳感器能夠完成外太空探測任務。
如何將材料和彈簧結合，“碳彈簧”的黃金點子如何誕生，這還要從人體結構談起。俞書宏團隊研究人員受人類“足弓”的宏觀彈性拱形結構啟發，通過雙向冰模板技術，建構出了一種由微拱結構單元有序堆疊構成的全碳多孔材料。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”。
機械柔韌性是決定碳材料實際應用過程中結構穩定性和耐久性的關鍵因素。但由于三維多孔的碳網絡之間連接脆弱，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”具有獨特的長程有序層狀微拱結構，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的多孔碳材料區分開來。此外，研究人員通過結合原位掃描電鏡觀察和有限元模擬，證實了其彈性變形機制。
不僅如此，“碳彈簧”具有化學穩定性、高導電性、機械柔韌性好、表面積高，孔道結構豐富、孔徑可調等特點，其在吸附、催化、電化學儲能、極端環境等領域得到廣泛應用，如以上提到的傳感器、制動器和能量轉換材料等。
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