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超弹性抗疲劳碳纳米纤维气凝 胶耐受温度变化

795    2019-12-23

      具有超弹性和抗疲劳性的轻质可压缩材料,尤其是其中适应广阔温度范围的材料,是航空航天、机械缓冲、能量阻尼和软机器人等领域的理想材料。许多低密度的聚合物泡沫是高度可压缩的,但它们在重复使用时往往易疲劳,并在聚合物玻璃化转变和熔融温度附近发生超弹性退化。


  聚合物的定义是通过连接许多较小的分子形成长链,称为单体 。虽然纸链呈现聚合物的简单图像,但在实际应用中,聚合物具有更多的用途。它们构成了日常生活中使用的许多物品的组成部分:塑料容器,尼龙制品,橡胶轮胎等等。
 
  尽管研究者已经开发出各种热稳定的轻质金属和陶瓷泡沫材料,但它们通常都只具有最小的可逆压缩性,并且在循环变形下表现出疲劳。碳纳米管和石墨烯因其具有固有的超弹性和热机械稳定性,近年来被用作制备轻量超弹性材料的基本材料。虽然已有相关文献报道了这类材料的优异性能,但这些工作所涉及的复杂设备和制备过程使其只能制备毫米级尺寸的材料。另一方面,自然中从几亿年进化而来的复杂层次结构生物材料因其优异的力学性能而备受关注,然而由于它们是纯有机或有机/无机复合结构,通常只适合很窄的温度范围内工作。因此,将这些非热稳定的结构生物材料转化为具有固有层次结构的热稳定石墨材料,有望创造出热力学稳定的材料。
 
  碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。
 
  碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34nm,直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性,而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。
 
  最近,中国科学技术大学俞书宏团队和梁海伟课题组报道了一种通过热解化学控制,将结构生物材料(BC,即细菌纤维素)热转化为石墨碳纳米纤维气凝胶(CNFAs)的方法。其制备的碳气凝胶完美地继承了细菌纤维素从宏观到微观的层次结构,具有显著的热机械性能。特别是在经历2×106次压缩循环后仍能保持超弹性而不发生塑性变形,在至少-100~500℃的大范围温度范围内具有优异的不随温度变化的超弹性和抗疲劳性能。这种气凝胶在热机械稳定性和抗疲劳性能方面比高分子泡沫、金属泡沫和陶瓷泡沫有独特的优势,实现了大规模合成,并具有生物材料的经济优势。
 
  据介绍,“碳海绵”具备高弹性,被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,是迄今已报道的有吸油力的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而“碳海绵”的吸收量是250倍左右,可达900倍,而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快:每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。这让人想到用它来处理海上的漏油,“可以把它们撒在海面上,就能把漏油迅速地吸收进来,因为有弹性,吸的油能够被压出来回收利用,‘碳海绵’也可以重新使用。”科研人员表示。
 
  该团队发展了一种利用无机盐对细菌纤维素(BC)进行热解化学调控方法,实现了大规模合成、形态保留的碳化新工艺,研制的碳纳米纤维气凝胶较好地继承了细菌纤维素从宏观到微观的层次结构,在较宽的温度范围内表现出明显的不随温度改变的超弹性和抗疲劳性能。
 
  细菌纤维素和植物或海藻产生的天然纤维素具有相同的分子结构单元, 但细菌纤维素纤维却有许多独特的性质。
 
  ①细菌纤维素与植物纤维素相比无木质素、果胶和半纤维素等伴生产物,具有高结晶度(可达95%,植物纤维素的为65%)和高的聚合度(DP值2 000~8 000);
 
  ②超精细网状结构。细菌纤维素纤维是由直径3~4 纳米的微纤组合成40~60 纳米粗的纤维束,并相互交织形成发达的超精细网络结构;
 
  ③细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上,并且抗张强度高;
 
  ④细菌纤维素有很强的持水能力 (water retention values, WRV)。未经干燥的细菌纤维素的WRV值高达1000% 以上,冷冻干燥后的持水能力仍超过600%。经100℃干燥后的细菌纤维素在水中的再溶胀能力与棉短绒相当;
 
  ⑤细菌纤维素有较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性;
 
  ⑥细菌纤维素生物合成时的可调控性。
 
  由于碳纳米纤维气凝胶具有优异的热稳定机械性能并可实现宏量制备,在诸多领域将具有重要的应用前景,特别是适合极端条件下的机械缓冲、压力传感、能量阻尼及航天太阳能电池等。
 
  资料来源:中国科学技术大学、百科

来源:仪表网

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