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中国科学家研制出石墨碳新材料

http://www.momo35.com    来源:中国超硬材料网    日期:2020-01-10

近日,国际材料学领域顶级学术期刊《先进材料》发表了一项来自中国科学家的成果,中科大俞书宏院士团队和梁海伟教授课题组发现了一种通过热解化学控制,将结构生物材料转化为石墨碳纳米纤维气凝胶材料的新方法。通过这种方法取得的材料性能优异,超轻超弹可经受零下100摄氏度到零上500摄氏度的“冰火考验”。

轻盈、坚韧、具备“超弹性”、耐得住高温、受得了低温,很多材料具备其中一种或几种特性,但能够全部具备的少之又少,是航空航天、软体机器人、机械缓冲、能量阻尼等领域炙手可热的理想材料。近年来,国际科学界希望通过碳纳米管和石墨烯来研制出这样的材料,但是不仅面临工艺复杂的困难,还只能制备出毫米级尺寸的“小物件”,尺寸再增大样品就会坍塌。

在频繁的失败面前,自然界成了科学家尝试突破的方向,然而这一希望也很快宣告破灭。纵然有些生物材料具备优异的力学性能,但它们纯有机或含有机的复合结构,一般只能在很窄的温度范围工作。例如人体的肌腱,就是一种很好的抗疲劳材料,可以不断地拉伸,但它只能在人的体温范围内正常运行。

就像木头又轻又韧,但谁都知道它不耐高温,因此木头甚至不能出现在摩擦力较大的关键结构上,但如果把碳以外的元素都拿走呢?俞书宏院士团队和梁海伟教授课题组的热解化学控制,就是借鉴自然界中的一些天然材料的结构,去除其中的氢、氧元素,只留下碳,最终将结构生物材料转化为石墨碳纳米纤维气凝胶材料。

实验验证表明,新型石墨气凝胶材料具备优异性能,每立方厘米重量6毫克左右,经历200万次压缩循环后仍能保持超弹性而不变形,在零下100摄氏度到零上500摄氏度的温度范围内均能保持超弹性和抗疲劳性能,在航天太阳能电池、超级电容器、能量缓冲和压力传感装置等领域具有重要应用前景。

气凝胶并不是最近才有的材料类型,早在1931年,人们就用二氧化硅制造出了它。气凝胶的内部有很多孔隙,孔隙里面充满空气,所以非常轻。为了形容它的轻,人们还给它取了一个外号――凝固的烟。2011年,美国科学家以镍材料做出的气凝胶,成为了当时世界上最轻的材料,在真空中,1立方厘米的这种气凝胶只有0.9毫克重,比空气还要轻。

气凝胶其实是一种固体物质形态,也是世界上密度最小的固体,由于其极低的密度、高比表面积和高孔隙率,从而能表现出独特的光学、热学、声学、及电学性能,在众多领域之中都具有广泛的应用前景。但以往人们难以通过经济实用的方式大量制备,不过中国科学家的发现让这种新材料可“大尺寸”、大批量合成,并具有生物材料的经济优势,相信这种材料很快会在相关领域崭露头角。

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