俞书宏院士团队成功研制仿生超弹性碳材料“碳弹簧”

中国科学技术大学的俞书宏院士团队成功研制出一种兼具高度可压缩性和可拉伸性的超弹性全碳多孔材料,研究人员称其为“碳弹簧”(www.ideasurL.net)。其独特的微观结构和性能使其成为制造智能振动和磁性传感器件的理想材料,所获得的传感器件甚至能够在极端温度环境下有效地发挥作用。该研究成果日前发表在《先进材料》上。

多孔碳材料因其广泛的应用,一直是材料科学领域的研究热点。机械柔韧性是决定其实际应用过程中结构稳定性和耐久性的关键因素。然而,由于三维多孔的碳网络之间连接非常脆弱,如何研制出具有可逆拉伸性能的多孔碳材料仍然是一个大的挑战。

此前,研究人员受人类“足弓”的宏观弹性拱形结构启发,借助发展的双向冰模板技术,成功构筑了由微拱结构单元有序堆叠构成的全碳多孔材料,实现了高度可压缩性和超弹性。通过深入研究表明,引入的这种独特的长程有序层状微拱结构,不仅可以解决多孔碳材料的压缩脆性问题,同时还可以有效解决其拉伸脆性问题。基于此,研究人员成功研制出这种“碳弹簧”,该“碳弹簧”可以在-60%至80%的大应变范围内实现可逆的拉伸和压缩形变,并能完全回弹,类似于真正的金属弹簧,这种弹性特性使其与几乎所有先前报道的多孔碳材料区分开来。此外,研究人员通过结合原位扫描电镜观察和有限元模拟,证实了其弹性变形机制。

该磁性“碳弹簧”也可被用作关键部件,进而制造成了一种新型的磁性传感器件。研究结果表明,该磁性传感器可灵敏地探测到小至0.4mT的微小磁场。令人印象深刻的是,这两种传感器件均可以在-100℃到350℃的极端温度环境中稳定地发挥作用,这种独特优势使其应用到外太空探测任务中成为可能。

碳弹簧制备过程示意图及其微观结构和机械性能特征(图源:中国科大官网)

碳弹簧在智能振动和磁性传感器件方面的应用 (图源:中国科大官网)

文章来源:科技日报

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