受天然蜘蛛丝网灵活性和刚性的启发,中国科学技术大学余淑红教授领导的研究团队开发了一种简单通用的方法,用纳米纤维制造超弹性和抗疲劳硬碳气凝胶。通过使用间苯二酚 - 甲醛树脂作为硬碳源的网络结构。

中国研究人员研制出超弹性硬碳纳米纤维气凝胶-复合材料网

近几十年来,碳气凝胶已经通过使用石墨碳和软碳进行了广泛的研究,其显示出超弹性的优点。这些弹性气凝胶通常具有精细的微观结构,具有良好的抗疲劳性但是超低强度。由于sp3 C引起的乱层“卡片结构”结构,硬碳在机械强度和结构稳定性方面显示出很大的优势。然而,刚度和脆性明显妨碍了用硬碳实现超弹性。到目前为止,制造超弹性硬碳基气凝胶仍然是一个挑战。

树脂单体的聚合在纳米纤维作为结构模板的存在下引发,以制备具有纳米纤维网络的水凝胶,然后干燥和热解以获得硬碳气凝胶。在聚合期间,单体沉积在模板上并焊接纤维 - 纤维接头,留下具有大量坚固接头的随机网络结构。此外,可以通过简单地调整模板和原料的量来控制物理性质(例如纳米纤维的直径,气凝胶的密度和机械性质)。

由于纳米纤维中的硬碳纳米纤维和丰富的焊接接头,硬碳气凝胶显示出强大而稳定的机械性能,包括超弹性,高强度,极快的恢复速度(860 mm s-1)和低能量损失系数( <0.16)。在50%应变下进行104次循环测试后,碳气凝胶仅显示2%的塑性变形,并保持93%的原始应力。

硬碳气凝胶可以在苛刻的条件下保持超弹性,例如在液氮中。基于令人着迷的机械性能,这种硬碳气凝胶在应用具有高稳定性和宽探测范围(50 KPa)的应力传感器以及可拉伸或可弯曲导体方面具有前景。该方法有望扩展到制造其他非碳基复合纳米纤维,并且通过设计纳米纤维微结构提供了将刚性材料转变成弹性或柔性材料的有前途的方法。