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全新突破全碳气凝胶的高可拉伸弹性体问世

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高弹性全碳气凝胶新材料在中国诞生,高分子弹性体所表现出的高弹性是一种独特的力学特性,它在日常生活和国民经济的各个领域中具有不可替代的位置。高分子弹性体的高形变量主要来源于线性高分子链段在卷曲和伸直状态下均方末端距的巨大差别,这是一种熵弹性。

全碳高弹性气凝胶

全碳高弹性气凝胶

浙江大学高分子科学与工程学系高超教授团队经过多年艰苦研究,在最近期间取得突破性进展。团队设计制备出高度可拉伸的全碳气凝胶弹性体,同时具有超低密度(5.7 mg cm-3)、高拉伸比(~200%)、低能量损耗(~0.1,低于硅橡胶)、优异抗疲劳性能(106循环)、宽温度适用范围(-198~500℃)等优异性能。

但是在无机材料中,由于内部较强的共价键、离子键、金属键等强烈的作用力,导致无机材料的弹性变形要小很多。因此,长期以来,如何制备高可拉伸纯无机弹性体是一个难题。


图二

图二

团队提出了多级协同组装方法来实现这种高可拉伸全碳气凝胶,它具有如下四级结构。(如图二所示)。

第一级:衍架结构由石墨烯3D打印技术进行可控制备,得到具有不同图案的周期结构,实现不同的变形方式。

第二级:多边形单元是石墨烯气凝胶材料的基本组成单元。

第三级:屈曲结构是通过受限还原过程得到,它可以通过不同的压缩率来调节。

第四级:结构是由石墨烯和碳纳米管的协同组装构成的,该协同作用可以有效增强气凝胶结构单元壁,提高气凝胶弹性体的弹性模量和抗疲劳性能。

单轴单调拉伸试验曲线图

单轴单调拉伸试验曲线图

单轴单调拉伸试验。a在25,50,75和100%拉伸应变下,随着MWNT剂量的增加,bCA 的应力 - 应变曲线。b,c塑性变形和能量损失系数对应于a中不同的污渍

bCA的机械稳定性

bCA的机械稳定性

bCA的机械稳定性。a,b储能模量(红色),损耗模量(蓝色)和阻尼比(黄色)随温度(a)和频率(b)的变化,具有30 wt%MWNTs的bCA

抗疲劳试验

抗疲劳试验

抗疲劳试验。a应力 - 应变曲线的bCA随着MWNTs剂量的增加在100%拉伸应变下进行100次循环(密度:9.7mg cm -3)。b,c ^塑性变形和能量损耗系数(γ期间,在第一个100个周期的拉伸)一个。d设计的bCA的循环拉伸 - 释放曲线,拉伸比为200%。e循环拉伸曲线在25%染色下以0.01s -1的速率进行20 000次。f在100%的DMA下,在1%应变下10 个拉伸循环期间bCA的抗疲劳性。

bCA在四个等级中表现出可恢复的拉伸变形

bCA在四个等级中表现出可恢复的拉伸变形

bCA在四个等级中表现出可恢复的拉伸变形。a - c在一个循环中对每个订单结构的结构演变进行原位SEM跟踪。一个的长度(140微米,由标δ 1)拉伸至770微米(δ 1 ')和回收至155微米。b的小区的长度(9.7μm,δ 2)拉伸至17.6微米(δ 2 ')和回收到10.1微米。d在一个拉伸 - 收缩循环中对二元层压材料进行原位TEM观察。比例尺,1 mm(a),30μm(b),10μm(c)和100纳米(d)。

增效作用的协同石墨烯和MWNTs

增效作用的协同石墨烯和MWNTs

增效作用的协同石墨烯和MWNTs。随着MWNT剂量增加,石墨烯层压板的归一化模量。误差棒表示不同石墨烯层压板的波长sd和对应的归一化模量,用于至少五次测量。插图对应于波长增加的弯曲波状皱纹的光学显微镜图像。b,c纯石墨烯薄片(b)和协同薄片(c)在20个循环期间的力 - 位移曲线。插图是铜网格上分离的碳气凝胶薄片的SEM和TEM图像。比例尺,1μm(b,c)。

bCAs作为逻辑识别应变传感器

bCAs作为逻辑识别应变传感器

bCAs作为逻辑识别应变传感器。a具有30wt%MWNT的bCA 的应力 - 应变曲线,在完全应变范围内为+ 100%至-14%。b,c bCAs 前5个循环(b)和100个循环(c)的抗性演变。d三局部bCA应变传感器阵列用作逻辑传感器,用于识别蛇形机器人的运动和配置。

作者:纳微科技

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