【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】具有超彈性和抗疲勞性的輕質(zhì)可壓縮材料，尤其是其中適應(yīng)廣闊溫度范圍的材料，是航空航天、機械緩沖、能量阻尼和軟機器人等領(lǐng)域的理想材料。許多低密度的聚合物泡沫是高度可壓縮的，但它們在重復(fù)使用時往往易疲勞，并在聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變和熔融溫度附近發(fā)生超彈性退化。
 

　　聚合物的定義是通過連接許多較小的分子形成長鏈，稱為單體 。雖然紙鏈呈現(xiàn)聚合物的簡單圖像，但在實際應(yīng)用中，聚合物具有更多的用途。它們構(gòu)成了日常生活中使用的許多物品的組成部分：塑料容器，尼龍制品，橡膠輪胎等等。
 

　　盡管研究者已經(jīng)開發(fā)出各種熱穩(wěn)定的輕質(zhì)金屬和陶瓷泡沫材料，但它們通常都只具有小的可逆壓縮性，并且在循環(huán)變形下表現(xiàn)出疲勞。碳納米管和石墨烯因其具有固有的超彈性和熱機械穩(wěn)定性，近年來被用作制備輕量超彈性材料的基本材料。雖然已有相關(guān)文獻報道了這類材料的優(yōu)異性能，但這些工作所涉及的復(fù)雜設(shè)備和制備過程使其只能制備毫米級尺寸的材料。另一方面，自然中從幾億年進化而來的復(fù)雜層次結(jié)構(gòu)生物材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能而備受關(guān)注，然而由于它們是純有機或有機/無機復(fù)合結(jié)構(gòu)，通常只適合很窄的溫度范圍內(nèi)工作。因此，將這些非熱穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)生物材料轉(zhuǎn)化為具有固有層次結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定石墨材料，有望創(chuàng)造出熱力學(xué)穩(wěn)定的材料。
 

　　碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。
 

　　碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20 nm。并且根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。
 

　　近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏團隊和梁海偉課題組報道了一種通過熱解化學(xué)控制，將結(jié)構(gòu)生物材料(BC，即細菌纖維素)熱轉(zhuǎn)化為石墨碳納米纖維氣凝膠(CNFAs)的方法。其制備的碳氣凝膠完美地繼承了細菌纖維素從宏觀到微觀的層次結(jié)構(gòu)，具有顯著的熱機械性能。特別是在經(jīng)歷2×106次壓縮循環(huán)后仍能保持超彈性而不發(fā)生塑性變形，在至少-100~500℃的大范圍溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的不隨溫度變化的超彈性和抗疲勞性能。這種氣凝膠在熱機械穩(wěn)定性和抗疲勞性能方面比高分子泡沫、金屬泡沫和陶瓷泡沫有獨特的優(yōu)勢，實現(xiàn)了大規(guī)模合成，并具有生物材料的經(jīng)濟優(yōu)勢。
 

　　據(jù)介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報道的有吸油力的材料。現(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，可達900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機物。這讓人想到用它來處理海上的漏油，“可以把它們?nèi)鲈诤Ｃ嫔?，就能把漏油迅速地吸收進來，因為有彈性，吸的油能夠被壓出來回收利用，‘碳海綿’也可以重新使用。”科研人員表示。
 

　　該團隊發(fā)展了一種利用無機鹽對細菌纖維素(BC)進行熱解化學(xué)調(diào)控方法，實現(xiàn)了大規(guī)模合成、形態(tài)保留的碳化新工藝，研制的碳納米纖維氣凝膠較好地繼承了細菌纖維素從宏觀到微觀的層次結(jié)構(gòu)，在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的不隨溫度改變的超彈性和抗疲勞性能。
 

　　細菌纖維素和植物或海藻產(chǎn)生的天然纖維素具有相同的分子結(jié)構(gòu)單元, 但細菌纖維素纖維卻有許多獨特的性質(zhì)。
 

　?、偌毦w維素與植物纖維素相比無木質(zhì)素、果膠和半纖維素等伴生產(chǎn)物，具有高結(jié)晶度(可達95%，植物纖維素的為65%)和高的聚合度(DP值2 000～8 000)；
 

　　②超精細網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。細菌纖維素纖維是由直徑3～4 納米的微纖組合成40～60 納米粗的纖維束，并相互交織形成發(fā)達的超精細網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
 

　?、奂毦w維素的彈性模量為一般植物纖維的數(shù)倍至十倍以上，并且抗張強度高；
 

　?、芗毦w維素有很強的持水能力 (water retention values, WRV)。未經(jīng)干燥的細菌纖維素的WRV值高達1000% 以上，冷凍干燥后的持水能力仍超過600%。經(jīng)100℃干燥后的細菌纖維素在水中的再溶脹能力與棉短絨相當(dāng)；
 

　　⑤細菌纖維素有較高的生物相容性、適應(yīng)性和良好的生物可降解性；
 

　?、藜毦w維素生物合成時的可調(diào)控性。
 

　　由于碳納米纖維氣凝膠具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定機械性能并可實現(xiàn)宏量制備，在諸多領(lǐng)域?qū)⒕哂兄匾膽?yīng)用前景，特別是適合條件下的機械緩沖、壓力傳感、能量阻尼及航天太陽能電池等。
 

　　資料來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、百科