免費(fèi)下載！
[!--downpath--]指導(dǎo)
日前彈簧彈力 示意圖，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)余書紅教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出兼顧高壓縮性和拉伸性的超彈性全碳微孔材料。 研究人員稱其為“碳彈簧”。
微孔碳材料由于其廣泛的應(yīng)用，至今仍是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械柔韌性是決定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的關(guān)鍵因素。 經(jīng)過近六年的大量研究，微孔碳材料的壓縮延展性問題得到了很好的解決，并成功制備出多種高壓縮彈性微孔碳材料。 然而，由于三維微孔碳網(wǎng)絡(luò)之間的連接非常脆弱，如何開發(fā)具有可逆拉伸性的微孔碳材料仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
日前，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)余書紅教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出兼顧高壓縮性和拉伸性的超彈性全碳微孔材料。 研究人員稱其為“碳彈簧”。 其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和性能使其成為制造智能振動(dòng)和磁傳感器元件的理想材料，所獲得的傳感器元件甚至可以在極端氣溫環(huán)境（-100至350°C）下有效發(fā)揮作用。 該研究成果以《》為題發(fā)表。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員高懷玲和博士生王澤宇、崔晨為該論文的共同第一作者。
此前，該團(tuán)隊(duì)的研究人員受到人類“足弓”宏觀彈性足弓結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用其單向冰模板技術(shù)，成功打造出由微孔有序堆疊組成的全碳微孔。拱形結(jié)構(gòu)單元。 材料，實(shí)現(xiàn)高壓縮性和超彈性（Nat..2016, 7, 12920）。 最近，他們又從“弓”的彈性變形機(jī)制中得到靈感。 通過深入研究，他們表明，引入這些奇特的長(zhǎng)程有序?qū)訝钗⒐敖Y(jié)構(gòu)，不僅可以解決微孔碳材料的壓縮延展性問題，還可以有效解決其拉伸延展性問題。 基于此，研究人員成功研制出這些“碳彈簧”，可以在-60%到80%的大應(yīng)變范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可逆拉伸和壓縮變形，并能充分回彈，類似于真正的金屬彈簧，這些彈性特性使其與眾不同來自幾乎所有最初報(bào)道的微孔碳材料（圖 1）。 據(jù)悉彈簧彈力 示意圖，研究人員通過結(jié)合原位掃描電鏡觀察和有限元模擬，否定了其彈性變形機(jī)制。
圖1 碳彈簧制備工藝及其微觀組織和力學(xué)性能示意圖
鑒于碳彈簧獨(dú)特的變形機(jī)制和力學(xué)性能，以及良好的導(dǎo)電性，研究人員將其作為關(guān)鍵部件，成功研制出可測(cè)量微小振動(dòng)的應(yīng)變傳感器元件。 其應(yīng)變測(cè)量極限至少為±0.5%，可測(cè)量的最高振動(dòng)頻率至少為，能夠靈敏響應(yīng)多種復(fù)雜的振動(dòng)模式，包括模擬洪水波振動(dòng)（圖2a-f）。 據(jù)悉，研究人員通過預(yù)先將Fe3O4納米粒子共組裝到材料框架中，獲得了一種可以由磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的磁性碳彈簧。 磁性碳彈簧也可以作為關(guān)鍵部件，從而產(chǎn)生一種新型的磁性傳感器元件。 結(jié)果表明，磁傳感器可以靈敏地檢測(cè)小至 0.4 mT 的微小磁場(chǎng)（圖 2g-k）。 令人印象深刻的是，兩種傳感器元件都可以在-100°C至350°C的極端溫度環(huán)境中穩(wěn)定工作。 這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使其有可能應(yīng)用于外層空間探測(cè)任務(wù)。
圖2 碳彈簧在智能振動(dòng)和磁敏元件中的應(yīng)用
該工作為構(gòu)建新型智能振動(dòng)和磁傳感提供了一條有效途徑，并為借助其他無機(jī)組分為極端應(yīng)用創(chuàng)造高度可擴(kuò)展的微孔材料提供了新策略。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體捐贈(zèng)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院前沿重點(diǎn)項(xiàng)目、中央高校基礎(chǔ)科學(xué)研究業(yè)務(wù)專項(xiàng)資金、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)同步輻射聯(lián)合基金。 捐。
文章鏈接：