輕質(zhì)強效氣凝膠有許多應用，但它們在關(guān)鍵機械性能之間存在權(quán)衡問題，并且實現(xiàn)同時具有高強度和優(yōu)異結(jié)構(gòu)恢復的超彈性氣凝膠仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，一種解決這一問題的策略是設(shè)計一種由柔性-剛性核殼結(jié)構(gòu)組成的基于碳納米管（CNT）的氣凝膠，該氣凝膠實現(xiàn)了超彈性（90％完全恢復）、高強度（提出了在 90% 應變下超過 12 MPa）和寬可調(diào)性（在 50% 應變下從 101 kPa 到 4.5 MPa）。研究發(fā)現(xiàn)，外部剛性但脆性的無定形碳殼在第一次壓縮循環(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大變形的耐受性。這種設(shè)計的碳納米管復合海綿表現(xiàn)出比之前報道的泡沫/氣凝膠更優(yōu)越的機械性能，并且由于這種獨特的裂紋誘導超彈性機制，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用已經(jīng)被開發(fā)出來。這種柔性-剛性核殼協(xié)同作用可以為可調(diào)節(jié)的高強度氣凝膠設(shè)計和創(chuàng)新應用提供進一步的見解。
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復合海綿的制備過程示意圖; b) SEM 和 d) CNT@PR 的 TEM 圖像； c) 復合海綿的 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% 應變壓縮 10 次循環(huán)后的機械性能比較。
Fig 2. AC層開裂引起的CNT@AC復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)中的典型壓縮應力應變曲線； 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復合海綿中的交聯(lián)點； c) CNT@AC在80%應變下的原位SEM圖像； d) 開裂程度與所經(jīng)歷的最大應變之間的關(guān)系。 e）由于結(jié)構(gòu)演化而產(chǎn)生的CNT@AC超彈性機制，其中外部連續(xù)AC層在壓縮釋放測試后破裂成有序排列的較短片段。
Fig 3. CNT@AC 具有長周期特性、高強度和寬范圍的可調(diào)性。 a) CNT@AC在50%應變下5000次循環(huán)的應力-應變曲線； b) CNT@AC在50%應變下循環(huán)5000次后的塑性變形、應力減少和能量損失系數(shù)； c) 5000 次 50% 應變壓縮循環(huán)后 CNT@AC 的 SEM； d）CNT@AC在30%應變下10000次循環(huán)的應力應變曲線； e) CNT@AC動態(tài)力學測試，加載頻率從0.1 Hz到100 Hz掃描； f) CNT@AC 的廣泛可調(diào)和高強度壓縮響應。這里選擇第二個壓縮周期進行繪圖； g) CNT@AC在90%極限應變下的應力-應變曲線； h) 物理性質(zhì)（直徑、密度）隨前體濃度變化； i) CNT@AC 在不同應變下的抗壓強度總結(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)、強度、模量、恢復）。 a）已報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)計的結(jié)構(gòu)； b-c) 楊氏模量、屈服強度與CNT@AC表觀密度之間的比例關(guān)系； d) Ashby 圖繪制了 CNT@AC 和其他先前報道的超彈性材料在不同應變下的強度； e) CNT@AC 的強度和恢復能力之間的比較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. 潛在應用為具有可調(diào)靈敏度和增強機械能吸收的寬范圍應力傳感器。 a) 歸一化電流信號 ΔI/I
0 與壓應力的關(guān)系； b) CNT@AC在20%、50%和70%應變下的電流信號變化； c) 100個壓縮循環(huán)期間的歸一化電流信號ΔI/I
0； d）-100至400℃溫度范圍內(nèi)的動態(tài)壓縮性能； e) 超低溫（液氮中）30%、60%時的電流信號； f–h) CNT@AC-3s與CNT、CNT@PR在80%應變下三個關(guān)鍵能量吸收性能的比較； i) 50%時CNT@AC的能量吸收能力與之前報道的吸收材料的比較。考慮到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行比較。
相關(guān)研究工作由北京大學Anyuan Cao課題組于2023年在線發(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
