輕質(zhì)強(qiáng)效氣凝膠有許多應(yīng)用，但它們?cè)陉P(guān)鍵機(jī)械性能之間存在權(quán)衡問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)同時(shí)具有高強(qiáng)度和優(yōu)異結(jié)構(gòu)恢復(fù)的超彈性氣凝膠仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，一種解決這一問(wèn)題的策略是設(shè)計(jì)一種由柔性-剛性核殼結(jié)構(gòu)組成的基于碳納米管（CNT）的氣凝膠，該氣凝膠實(shí)現(xiàn)了超彈性（90％完全恢復(fù)）、高強(qiáng)度（提出了在 90% 應(yīng)變下超過(guò) 12 MPa）和寬可調(diào)性（在 50% 應(yīng)變下從 101 kPa 到 4.5 MPa）。研究發(fā)現(xiàn)，外部剛性但脆性的無(wú)定形碳?xì)ぴ诘谝淮螇嚎s循環(huán)中交聯(lián)CNT核并破裂成有序分布的片段，而柔性CNT核確保了整體骨架的完整性和對(duì)大變形的耐受性。這種設(shè)計(jì)的碳納米管復(fù)合海綿表現(xiàn)出比之前報(bào)道的泡沫/氣凝膠更優(yōu)越的機(jī)械性能，并且由于這種獨(dú)特的裂紋誘導(dǎo)超彈性機(jī)制，諸如具有寬范圍定制靈敏度的壓力傳感器和高性能能量吸收器等潛在應(yīng)用已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。這種柔性-剛性核殼協(xié)同作用可以為可調(diào)節(jié)的高強(qiáng)度氣凝膠設(shè)計(jì)和創(chuàng)新應(yīng)用提供進(jìn)一步的見(jiàn)解。
Fig 1. 內(nèi)柔性@外剛性3D多孔網(wǎng)絡(luò)（CNT@AC）的合成和結(jié)構(gòu)表征。 a) CNT@AC復(fù)合海綿的制備過(guò)程示意圖; b) SEM 和 d) CNT@PR 的 TEM 圖像； c) 復(fù)合海綿的 FTIR； e-h) CNT@AC的SEM圖像、HRTEM圖像和選區(qū)電子衍射圖(SAED)； i) CNT、CNT@PR 和 CNT@AC 在 80% 應(yīng)變壓縮 10 次循環(huán)后的機(jī)械性能比較。
Fig 2. AC層開(kāi)裂引起的CNT@AC復(fù)合海綿的超彈性和結(jié)構(gòu)演化。 a) CNT@AC在第一和第二次循環(huán)中的典型壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)； b) 50%壓縮后CNT@AC的SEM圖像。白色箭頭表示壓縮后外殼的裂紋。黃色橢圓表示CNT@AC復(fù)合海綿中的交聯(lián)點(diǎn)； c) CNT@AC在80%應(yīng)變下的原位SEM圖像； d) 開(kāi)裂程度與所經(jīng)歷的最大應(yīng)變之間的關(guān)系。 e）由于結(jié)構(gòu)演化而產(chǎn)生的CNT@AC超彈性機(jī)制，其中外部連續(xù)AC層在壓縮釋放測(cè)試后破裂成有序排列的較短片段。
Fig 3. CNT@AC 具有長(zhǎng)周期特性、高強(qiáng)度和寬范圍的可調(diào)性。 a) CNT@AC在50%應(yīng)變下5000次循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)； b) CNT@AC在50%應(yīng)變下循環(huán)5000次后的塑性變形、應(yīng)力減少和能量損失系數(shù)； c) 5000 次 50% 應(yīng)變壓縮循環(huán)后 CNT@AC 的 SEM； d）CNT@AC在30%應(yīng)變下10000次循環(huán)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)； e) CNT@AC動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試，加載頻率從0.1 Hz到100 Hz掃描； f) CNT@AC 的廣泛可調(diào)和高強(qiáng)度壓縮響應(yīng)。這里選擇第二個(gè)壓縮周期進(jìn)行繪圖； g) CNT@AC在90%極限應(yīng)變下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)； h) 物理性質(zhì)（直徑、密度）隨前體濃度變化； i) CNT@AC 在不同應(yīng)變下的抗壓強(qiáng)度總結(jié)。
Fig 4. 與其他碳基、金屬基、陶瓷基和聚合物基多孔材料以及超材料的綜合比較（微觀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、模量、恢復(fù)）。 a）已報(bào)道的超彈性材料的三種典型微觀結(jié)構(gòu)以及本工作中設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)； b-c) 楊氏模量、屈服強(qiáng)度與CNT@AC表觀密度之間的比例關(guān)系； d) Ashby 圖繪制了 CNT@AC 和其他先前報(bào)道的超彈性材料在不同應(yīng)變下的強(qiáng)度； e) CNT@AC 的強(qiáng)度和恢復(fù)能力之間的比較CNT@AC等多孔材料。碳基， 陶瓷基，聚合物基氣凝膠，和超材料（納米晶格、微晶格）]被選擇。
Fig 5. 潛在應(yīng)用為具有可調(diào)靈敏度和增強(qiáng)機(jī)械能吸收的寬范圍應(yīng)力傳感器。 a) 歸一化電流信號(hào) ΔI/I
0 與壓應(yīng)力的關(guān)系； b) CNT@AC在20%、50%和70%應(yīng)變下的電流信號(hào)變化； c) 100個(gè)壓縮循環(huán)期間的歸一化電流信號(hào)ΔI/I
0； d）-100至400℃溫度范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓縮性能； e) 超低溫（液氮中）30%、60%時(shí)的電流信號(hào)； f–h) CNT@AC-3s與CNT、CNT@PR在80%應(yīng)變下三個(gè)關(guān)鍵能量吸收性能的比較； i) 50%時(shí)CNT@AC的能量吸收能力與之前報(bào)道的吸收材料的比較?？紤]到CNT@AC的能量吸收能力高于大多數(shù)氣凝膠材料，因此選擇了一些典型的晶格材料進(jìn)行比較。
相關(guān)研究工作由北京大學(xué)Anyuan Cao課題組于2023年在線(xiàn)發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上，Crack-Induced Superelastic, Strength-Tunable Carbon Nanotube Sponges，原文：
https://doi.org/10.1002/adfm.202303475。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
