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耐高温抗极寒!南开陈永胜教授团队研获石墨烯“太空海绵”

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发表于 2019-5-9 08:39:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
具有较大可逆形变功能的弹性材料在各种工程应用中具有广泛需求。然而,目前几乎所有高弹性材料的弹性及其他力学性能都会受到温度影响,更没有一种材料能够实现在外太空等深低温环境下具有高弹性。
这一难题长期困扰着国际材料研发和应用领域的科研工作者。经过多年持续攻关,南开大学化学学院陈永胜教授团队研获了一种新型三维石墨烯材料,可在4K(约-269℃)深低温到1273K(约1000℃)高温区间保持良好的稳定性和高弹性。这种新型“太空海绵”在极端条件下的生产与实验、航天装备制造等领域具有良好应用前景。日前,介绍该成果的论文发表于国际知名学术刊物《科学进展》(Science Advances)上。

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弹性材料是一类具有较大可逆形变能力的材料,例如常见的橡胶、聚合物泡沫材料等,已广泛应用于人类生产、生活。新型高弹性材料在诸如可穿戴设备、人工肌肉、传感器等高端研究、技术领域具有极大应用前景。然而,几乎目前所有高弹性材料的弹性及其他力学性能都受温度影响。例如,硅橡胶在高温条件下软化或分解;相反地,随温度降低逐渐丧失弹性,发生玻璃化转变而变硬、变脆。同样的问题也存在于高弹聚合物的泡沫或海绵材料。
事实上,通常材料的韧性、弹性在低温环境下会显著降低。普通的无机金属、陶瓷材料的弹性应变范围极其受限。改善这类不足的方法包括构建多孔的、多级的材料结构,如金属微格、纳米陶瓷微格等。然而这些材料都是基于传统材料的二次加工,所以无一例外地,其力学性能仍受温度影响。制备基于可逆相变的具有形状记忆功能的超弹性合金及陶瓷虽然可以在一定程度上增大材料的弹性应变范围或韧性,并扩展材料应用的温度范围,但却不能根本改变温度对弹性的影响。

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图为三维石墨烯材料的制备及微观结构

碳纳米材料,如碳纳米管和石墨烯,具有极高的机械强度、柔韧性以及出色的热稳定性,被认为非常适合作为构筑单元制备不受温度影响的弹性材料。在石墨烯乃至整个纳米材料研究领域,获得一种由纳米材料单体构建的宏观体相材料,例如三维石墨烯,并使其能够保持纳米单体的本征性质是长期以来重要难点问题之一。
既往研究显示,具有压缩弹性的三维石墨烯材料不仅在室温下具有大形变量可回复的弹性变形能力,而且这种力学行为同样表现在当材料被浸于液氦中(77K,约-196℃)或900℃的惰性气氛中。鉴于三维交联石墨烯海绵(三维石墨烯材料)独特的微观结构,以及单片石墨烯的本征性质,陈永胜团队将研究方向聚焦在阐明石墨烯及其宏观三维交联体相材料的超级压缩弹性以及其他力学性能是否可以在极端低温的条件下保持不变。
该团队研获的三维石墨烯材料,由无序排列的单层石墨烯片通过共价键化学交联而构成,在低至液氦温区的极端低温条件下具有与室温下相同的力学性能,包括高度可回复的超级弹性,不变的杨氏模量(描述固体材料抵抗形变能力的物理量),近零泊松比(反映材料横向变形的弹性常数)以及出色的抗疲劳性能。团队研究人员指出,目前,尚无任何其他材料具有此种低温超级弹性性能以及4K至1273K温度范围内不受温度影响的弹性及力学性能的报道。
通过自主搭建的力学性能测试系统,陈永胜团队精确、系统地测试了在4-1273K(约-269℃至1000℃)温度范围内三维石墨烯材料的各项力学性能;利用团队改造的扫描电子显微镜和原位变温样品台,获得了三维石墨烯材料在极端低温和高温条件下压缩-回弹过程中微观结构的变形特征;通过理论模型计算的验证,阐明了这一新型材料温度不变性源于石墨烯特有的sp2杂化的二维碳原子平面晶体结构。
该研究团队指出,在深低温条件下,石墨烯和三维石墨烯材料显著的力学稳定性使其成为在外太空和其他极端低温或恶劣环境中应用的最佳研究对象。其它的二维纳米材料,如果具有与石墨烯类似的结构,例如石墨炔、硅烯、平面锗以及二维Bi1?xSbx薄片,并将其作为结构单元依照类似于三维石墨烯的方式组装起来,得到的宏观材料也有可能充分保留二维构造单元独特的性质,并展现出宏观的特异性能。
据悉,该项研究由南开大学陈永胜教授团队和美国莱斯大学Pulickel Ajayan教授团队合作完成,获得了国家科技部、国家自然科学基金等支持。

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