具(ju)有超(chao)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)和(he)抗(kang)疲勞(lao)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)輕(qing)質可(ke)(ke)壓縮(suo)材(cai)料(liao)(liao)，尤其(qi)是(shi)其(qi)中適(shi)應廣闊溫度范圍的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)，是(shi)航(hang)空航(hang)天、機械緩沖、能(neng)量阻尼(ni)和(he)軟機器(qi)人(ren)等領(ling)域的(de)(de)理(li)想材(cai)料(liao)(liao)。許(xu)多低密度的(de)(de)聚合(he)物泡沫是(shi)高度可(ke)(ke)壓縮(suo)的(de)(de)，但(dan)它(ta)們在重復(fu)(fu)使(shi)用時往往易疲勞(lao)，并(bing)在聚合(he)物玻(bo)璃化轉(zhuan)變和(he)熔融溫度附近發(fa)生超(chao)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)退(tui)化。盡管(guan)(guan)研究者已(yi)(yi)經開發(fa)出(chu)各種熱穩(wen)定(ding)的(de)(de)輕(qing)質金屬和(he)陶瓷泡沫材(cai)料(liao)(liao)，但(dan)它(ta)們通常(chang)都只(zhi)具(ju)有最小(xiao)的(de)(de)可(ke)(ke)逆壓縮(suo)性(xing)(xing)(xing)，并(bing)且在循環變形下表現出(chu)疲勞(lao)。碳納米管(guan)(guan)和(he)石墨(mo)烯因其(qi)具(ju)有固有的(de)(de)超(chao)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)和(he)熱機械穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)(xing)，近年來(lai)(lai)被(bei)用作(zuo)制備輕(qing)量超(chao)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)基本材(cai)料(liao)(liao)。雖(sui)然(ran)已(yi)(yi)有相關文獻(xian)報道(dao)了這類材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)優(you)異(yi)(yi)性(xing)(xing)(xing)能(neng)，但(dan)這些工作(zuo)所涉及的(de)(de)復(fu)(fu)雜設備和(he)制備過程使(shi)其(qi)只(zhi)能(neng)制備毫(hao)米級尺寸的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)。另一方面，自然(ran)中從(cong)幾(ji)億(yi)年進化而(er)來(lai)(lai)的(de)(de)復(fu)(fu)雜層次結構生物材(cai)料(liao)(liao)因其(qi)優(you)異(yi)(yi)的(de)(de)力學性(xing)(xing)(xing)能(neng)而(er)備受(shou)關注，然(ran)而(er)由于它(ta)們是(shi)純有機或有機/無機復合結構(gou)，通(tong)常(chang)只(zhi)適合很窄的(de)溫(wen)度范(fan)圍(wei)內(nei)工(gong)作。因此，將這些非熱穩定的(de)結構(gou)生(sheng)物(wu)材(cai)料轉化為具(ju)有固有層次結構(gou)的(de)熱穩定石墨材(cai)料，有望創(chuang)造出熱力學(xue)穩定的(de)材(cai)料。

最近(jin)，188bet足球俞(yu)書宏院(yuan)士(shi)研究團隊和(he)梁海偉教授(shou)課(ke)題組報道了一種(zhong)通過熱解化學(xue)控制，將結(jie)構生物材(cai)料（BC，即細菌纖(xian)維素）熱轉化為石墨碳納米纖(xian)維氣凝膠（CNFAs）的方法。其(qi)制備的碳氣凝(ning)膠(jiao)完美地繼(ji)承了細菌(jun)纖維素從宏觀到(dao)微(wei)觀的層次結(jie)構，具有(you)顯(xian)著的熱機械性(xing)能。特別是在經歷2×10⁶次壓(ya)縮(suo)循(xun)環(huan)后仍能保持(chi)超彈性而不發生(sheng)塑性變形，在至少-100~500℃的(de)大(da)范圍溫(wen)度范圍內(nei)具有優異的(de)不隨(sui)溫度(du)變化(hua)的超彈性和(he)抗疲(pi)勞性能。這種氣凝膠在熱機(ji)械(xie)穩(wen)定性和(he)抗疲(pi)勞性能方面(mian)比(bi)高分(fen)子泡沫(mo)、金屬泡沫(mo)和(he)陶瓷泡沫(mo)有(you)獨特的優勢，實現(xian)了大(da)規模合成(cheng)，并(bing)具有(you)生物材(cai)料的經濟優勢。相關(guan)成(cheng)果(guo)以“Temperature-Invariant Superelastic and Fatigue Resistant Carbon Nanofiber Aerogels”發表于Adv. Mater.期刊上。

圖1、宏(hong)觀(guan)尺(chi)寸CNFAs的合成。（a）CNFAs制(zhi)造工藝示意圖(tu)；（b）純BC和BC浸漬NH₄H₂PO₄、(NH₄)₂SO₄、NH₄Cl、(NH₄)₃PO₄、NaH₂PO₄或KH₂PO₄的TG曲線(xian)；（c）純BC和BC浸漬不同濃度NH₄H₂PO₄后(hou)的TG曲(qu)線；（d）以純(chun)BC和BC為原料，在(zai)800 °C下加入不同(tong)量的NH₄H₂PO₄炭化(hua)制備CNFAs（NH₄H₂PO₄的重(zhong)量比分別為0.5、4.8、16、44和62 wt%）；（e）1200 ℃下制備的CNFAs的(de)密度(du)和導(dao)電性；（f ~g）在(zai)800℃下制備的CNFAs照片，展示了其可(ke)以大規模制備。

圖2、CNFAs在(zai)T = -100~500℃時N₂中的熱力學(xue)穩定的力學(xue)性能。（a~c）形變為20%、40%、60%和80%時CNFAs的壓縮應(ying)力-應變曲線，溫度分別為：a）-100 °C、b）25 °C和c）500 °C；（d）CNFAs在T = -100-500℃時的粘(zhan)彈(dan)性（儲存模量、損(sun)耗模量和阻尼比）；（e）CNFA、三聚氰胺、PU和(he)EPE泡沫的儲(chu)存模量隨溫度的變化；（f）不同溫度下CNFAs在1×10⁵次循(xun)環中(zhong)的(de)儲存模(mo)(mo)量和損耗模(mo)(mo)量。

該團隊(dui)發展了一種利用無機鹽對(dui)細菌纖維素(su)（BC）進行(xing)熱解化學調控方(fang)法，實現(xian)了大規模合(he)成、形(xing)態保留(liu)的(de)碳(tan)化新工藝，研制的(de)碳納米纖維氣(qi)凝膠較好地繼承了細菌纖維(wei)素從宏觀到微(wei)觀的層次結構(gou)，在較寬的溫度范圍內(nei)表現出明顯的不隨溫度改變超彈性(xing)和(he)抗疲(pi)勞性(xing)能(neng)。由于碳納(na)米纖維氣(qi)凝(ning)膠具有優異的(de)熱穩定(ding)機械性(xing)能并可(ke)實現宏量(liang)制備，在各種領域(yu)將具有重要的(de)應用前景，特別是(shi)適合極端(duan)條件下(xia)的(de)機械緩沖(chong)、壓(ya)力(li)傳感、能量(liang)阻(zu)尼(ni)及航天(tian)太(tai)陽能電池(chi)等。

相關(guan)研(yan)(yan)究(jiu)受(shou)到國家自然(ran)科(ke)(ke)學基金委創新(xin)(xin)研(yan)(yan)究(jiu)群體、國家自然(ran)科(ke)(ke)學基金重點項(xiang)目(mu)、中(zhong)國科(ke)(ke)學院(yuan)前沿科(ke)(ke)學重點研(yan)(yan)究(jiu)項(xiang)目(mu)、中(zhong)國科(ke)(ke)學院(yuan)納(na)米科(ke)(ke)學卓越創新(xin)(xin)中(zhong)心(xin)、蘇(su)州納(na)米科(ke)(ke)技協同創新(xin)(xin)中(zhong)心(xin)等的(de)資助。

論文鏈接：Temperature-Invariant Superelastic and Fatigue Resistant Carbon Nanofiber Aerogels, Adv. Mater. 2019, 1904331.

（合肥微(wei)尺度物質科(ke)學國(guo)家(jia)研究中心，化學與材料科(ke)學學院，科(ke)研部）