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2019-04-22
碳材料可按碳原子杂化轨道的不同分为石墨碳（GC）、软碳（SC）和硬碳（HC）。石墨碳具有二维六方晶体的长程有序结构，如石墨，石墨炔，石墨烯/氧化石墨烯、碳纳米管等。在热解过程中，一些碳原子重构成二维芳族石墨烯片，如果这些石墨烯片大致平行，在高温下则容易石墨化，称为软碳；如果这些石墨烯片随机堆叠并通过边缘原子交联，高温下不能石墨化，则称为硬碳。通常来说，石墨碳和软碳具有高弹性，但是强度较低，容易变形，而硬碳的强度大，稳定性好，但是易碎。如何将硬碳材料制备成超弹性块材仍然是一个挑战。
最近，中科大化学系俞书宏教授领导的课题组受到自然界的蜘蛛网同时具有高强度和弹性的启发，巧妙通过模板法构筑纳米纤维网络结构，赋予传统硬碳材料超弹性。通过使用间苯二酚-甲醛（RF）树脂作为硬碳源，以多种1D纳米纤维，包括细菌纤维素纳米纤维（BCNF），碲纳米线（TeNW）和碳纳米管（CNT）作为结构模板制备RF的纳米纤维气凝胶，通过高温碳化即可得到超弹性和抗疲劳硬碳气凝胶（HCA）。
研究者通过简单的控制原料的配比，可以轻易实现对气凝胶物理参数的调控，如纤维的直径、密度等。
结构稳定性
得益于纳米纤维网络结构和纤维间的硬碳焊接点，所得的HCAs具有优异的机械性能。
通过原位扫描电子显微镜可以看出，在经过50%压缩后，材料的整体结构恢复原状，并没有明显的结构破坏或不可逆形变。
超弹性
该材料具有优异的弹性性能，回弹速度高达860 mm s-1，能量损耗系数低至0.16，与传统碳材料相比，兼具弹性与强度。
这种新型HCA实现了弹性和强度之间的平衡，研究者探究了其作为大量程压阻式传感器，以及可拉伸/可弯曲导体的相关性质。结果表明，该弹性导体具有优异的循环稳定性，同时由于结构和组分的稳定性，可以实现在苛刻环境下工作（如液氮中）。
该研究的最大意义在于，通过自然材料的启发和精心设计的微观结构，可以将传统的脆性僵硬的树脂转变成高性能的超弹性的硬碳气凝胶材料，与传统碳材料相比，该气凝胶具有极高的回弹速度、极低的能量损耗、同时保持高强度和稳定性。该方法有望扩展到制备其他非碳基纳米纤维材料，并提供了一种通过设计纳米纤维的微观结构将刚性材料转变成弹性或柔性材料的新思路。
参考文献：Zhi-Long Yu, BingQin, Zhi-Yuan Ma, Jin Huang, Si-Cheng Li, Hao-Yu Zhao, Han Li, Yin-Bo Zhu,Heng-An Wu, and Shu-Hong Yu*, Superelastic Hard Carbon Nanofiber Aerogels, Adv. Mater. 2019, 1900651
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