高分子彈性體所表現(xiàn)出的高彈性是一種獨(dú)特的力學(xué)特性，它在日常生活和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域中具有不可替代的位置。高分子彈性體的高形變量主要來源于線性高分子鏈段在卷曲和伸直狀態(tài)下均方末端距的巨大差別，這是一種熵彈性。但是在無機(jī)材料中，由于內(nèi)部較強(qiáng)的共價鍵、離子鍵、金屬鍵等強(qiáng)烈的作用力，導(dǎo)致無機(jī)材料的彈性變形要小很多。因此，長期以來，如何制備高可拉伸純無機(jī)彈性體是一個難題。
浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系高超教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年研究，于近期取得突破性進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)設(shè)計制備出高度可拉伸的全碳?xì)饽z彈性體，同時具有超低密度（5.7 mg cm-3）、高拉伸比（~200%）、低能量損耗（~0.1，低于硅橡膠）、優(yōu)異抗疲勞性能（106循環(huán)）、寬溫度適用范圍（-198~500℃）等優(yōu)異性能。
圖1. 高可拉伸全碳?xì)饽z彈性體
團(tuán)隊(duì)提出了多級協(xié)同組裝方法來實(shí)現(xiàn)這種高可拉伸全碳?xì)饽z。它具有四級結(jié)構(gòu)，從宏觀到微觀分別是第一級的桁架結(jié)構(gòu)（truss structure），第二級的多邊形單元（polygon cells），第三級的屈曲支柱（buckled struts）和第四級的二元協(xié)同分子單元（binary molecular blocks）（如圖2所示）。其中，第一級的衍架結(jié)構(gòu)由石墨烯3D打印技術(shù)進(jìn)行可控制備，得到具有不同圖案的周期結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的變形方式；第二級的多邊形單元是石墨烯氣凝膠材料的基本組成單元；第三級的屈曲結(jié)構(gòu)是通過受限還原過程得到，它可以通過不同的壓縮率來調(diào)節(jié)；第四級結(jié)構(gòu)是由石墨烯和碳納米管的協(xié)同組裝構(gòu)成的，該協(xié)同作用可以有效增強(qiáng)氣凝膠結(jié)構(gòu)單元壁，提高氣凝膠彈性體的彈性模量和抗疲勞性能。
圖2. 高可拉伸全碳?xì)饽z彈性體由多級協(xié)同組裝方法制得
這種全碳?xì)饽z彈性體具有優(yōu)異的抗疲勞性能，在拉伸200%的狀態(tài)下，可穩(wěn)定循環(huán)至少100圈；在100Hz, 1%應(yīng)變的狀態(tài)下，可穩(wěn)定循環(huán)至少百萬次。
圖3. 全碳?xì)饽z彈性體的抗疲勞性能
這種全新的超輕碳基彈性體組裝成應(yīng)變傳感器，可以對復(fù)雜的形狀變化進(jìn)行邏輯識別。該傳感器首先應(yīng)用在蛇形機(jī)械手臂上，可以準(zhǔn)確識別出線型、新月型、S和反S型等形狀及其變化。
圖4. 全碳?xì)饽z彈性體組裝成可以進(jìn)行邏輯識別的應(yīng)變傳感器
該篇工作首次制備得到高度可拉伸的無機(jī)全碳?xì)饽z彈性體，將彈性體的概念拓寬到了無機(jī)領(lǐng)域，并改善了彈性體的高低溫耐老化性能，拓寬了使用溫度范圍，為其在柔性器件、智能機(jī)器人及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。同時，這種多級協(xié)同組裝的方法也為其他無機(jī)彈性體的制備提供了一條全新的設(shè)計思路。
高超團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)航空航天學(xué)院的王宏濤、趙沛教授合作，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)的原位高分辨透射原位表征，為揭示彈性機(jī)理提供了直接的微觀實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
論文發(fā)表于期刊 NatureCommunications, 共同第一作者為博士生郭凡、姜炎秋，通訊作者為許震研究員、高超教授。
Fan Guo, YanqiuJiang, Zhen Xu, Youhua Xiao, Bo Fang, Yingjun Liu, Weiwei Gao, Pei Zhao,Hongtao Wang, Chao Gao. Highly stretchable carbon aerogels. Nature Communications 9,881, doi:10.1038/s41467-018-03268-y (2018).
