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超彈性抗疲勞碳納米纖維氣凝 膠耐受溫度變化
http://www.belolats.com2019-12-23 15:52:49中國科學技術大學

  具有超彈性和抗疲勞性的輕質可壓縮材料,尤其是其中適應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,但它們在重復使用時往往易疲勞,并在聚合物玻璃化轉變和熔融溫度附近發生超彈性退化。

  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。雖然紙鏈呈現聚合物的簡單圖像,但在實際應用中,聚合物具有更多的用途。它們構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。

  盡管研究者已經開發出各種熱穩定的輕質金屬和陶瓷泡沫材料,但它們通常都只具有最小的可逆壓縮性,并且在循環變形下表現出疲勞。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。雖然已有相關文獻報道了這類材料的優異性能,但這些工作所涉及的復雜設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雜層次結構生物材料因其優異的力學性能而備受關注,然而由于它們是純有機或有機/無機復合結構,通常只適合很窄的溫度范圍內工作。因此,將這些非熱穩定的結構生物材料轉化為具有固有層次結構的熱穩定石墨材料,有望創造出熱力學穩定的材料。

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

  碳納米管,又名巴基管,是一種具有特殊結構(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成數層到數十層的同軸圓管。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。

  最近,中國科學技術大學俞書宏團隊和梁海偉課題組報道了一種通過熱解化學控制,將結構生物材料(BC,即細菌纖維素)熱轉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構,具有顯著的熱機械性能。特別是在經歷2×106次壓縮循環后仍能保持超彈性而不發生塑性變形,在至少-100~500℃的大范圍溫度范圍內具有優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勢,實現了大規模合成,并具有生物材料的經濟優勢。

  據介紹,“碳海綿”具備高彈性,被壓縮80%后仍可恢復原狀。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?,F有的吸油產品一般只能吸自身質量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,“可以把它們撒在海面上,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。

  該團隊發展了一種利用無機鹽對細菌纖維素(BC)進行熱解化學調控方法,實現了大規模合成、形態保留的碳化新工藝,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構,在較寬的溫度范圍內表現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生的天然纖維素具有相同的分子結構單元,但細菌纖維素纖維卻有許多獨特的性質。

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

 ?、诔毦W狀結構。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,并相互交織形成發達的超精細網絡結構;

 ?、奂毦w維素的彈性模量為一般植物纖維的數倍至十倍以上,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;

 ?、菁毦w維素有較高的生物相容性、適應性和良好的生物可降解性;

 ?、藜毦w維素生物合成時的可調控性。

  由于碳納米纖維氣凝膠具有優異的熱穩定機械性能并可實現宏量制備,在諸多領域將具有重要的應用前景,特別是適合極端條件下的機械緩沖、壓力傳感、能量阻尼及航天太陽能電池等。

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