近日，我國科研團隊成功研制出一種兼具高度可壓縮性和可拉伸性的超彈性全碳多孔材料，研究人員稱其為“碳彈簧”。其獨特的微觀結(jié)構(gòu)和性能使其成為制造智能振動和磁性傳感器件的理想材料，所獲得的傳感器件甚至能夠在極端溫度環(huán)境下有效地發(fā)揮作用。該研究成果日前發(fā)表在《先進材料》上。
多孔碳材料因其廣泛的應(yīng)用，一直是材料科學領(lǐng)域的研究熱點。機械柔韌性是決定其實際應(yīng)用過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的關(guān)鍵因素。然而，由于三維多孔的碳網(wǎng)絡(luò)之間連接非常脆弱，如何研制出具有可逆拉伸性能的多孔碳材料仍然是一個大的挑戰(zhàn)。
此前，研究人員受人類“足弓”的宏觀彈性拱形結(jié)構(gòu)啟發(fā)，借助發(fā)展的雙向冰模板技術(shù)，成功構(gòu)筑了由微拱結(jié)構(gòu)單元有序堆疊構(gòu)成的全碳多孔材料，實現(xiàn)了高度可壓縮性和超彈性。 通過深入研究表明，引入的這種獨特的長程有序?qū)訝钗⒐敖Y(jié)構(gòu)，不僅可以解決多孔碳材料的壓縮脆性問題，同時還可以有效解決其拉伸脆性問題?；诖?，研究人員成功研制出這種“碳彈簧”，該“碳彈簧”可以在-60%至80%的大應(yīng)變范圍內(nèi)實現(xiàn)可逆的拉伸和壓縮形變，并能完全回彈，類似于真正的金屬彈簧，這種彈性特性使其與幾乎所有先前報道的多孔碳材料區(qū)分開來。此外，研究人員通過結(jié)合原位掃描電鏡觀察和有限元模擬，證實了其彈性變形機制。
該磁性“碳彈簧”也可被用作關(guān)鍵部件，進而制造成了一種新型的磁性傳感器件。研究結(jié)果表明，該磁性傳感器可靈敏地探測到小至0.4mT的微小磁場。令人印象深刻的是，這兩種傳感器件均可以在-100℃到350℃的極端溫度環(huán)境中穩(wěn)定地發(fā)揮作用，這種獨特優(yōu)勢使其應(yīng)用到外太空探測任務(wù)中成為可能。
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