? ? ? ? 碳是地球上分布最廣泛的材料之一，碳材料可按碳原子雜化軌道的不同大致可分為石墨碳、軟碳和硬碳。石墨碳和軟碳的彈性高、易變形，但強度低;硬碳的結構穩定，但性脆易碎。如何使硬碳既能保持“硬度”，又能變得更有彈性，是材料學(xué)界的一大挑戰。近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授課題組受自然界中的蜘蛛網(wǎng)同時(shí)具有高強度和彈性的啟發(fā)，巧妙通過(guò)模板法構筑納米纖維網(wǎng)絡(luò )結構，研制出一種每秒彈速達0.86米、“壓扁”10萬(wàn)次不變形的“超彈性”硬碳材料，且制作方法簡(jiǎn)單高效。國際材料學(xué)領(lǐng)域學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》日前發(fā)表了該研究成果。
? ? ? ??據介紹，根據碳原子排列方式的不同，碳材料可分為石墨碳、軟碳和硬碳3種。軟碳和硬碳主要用于描述聚合物熱解制備的碳材料，在熱解過(guò)程中，一些碳原子重構成二維芳族石墨烯片，如果這些石墨烯片大致平行，在高溫下則容易石墨化，這種碳被稱(chēng)為軟碳；如果這些石墨烯片隨機堆疊并通過(guò)邊緣碳原子交聯(lián)，高溫下不能石墨化，這種碳則稱(chēng)為硬碳。通常來(lái)說(shuō)，石墨碳和軟碳具有高彈性，容易變形，但是強度較低；由于大量sp3-C引起的硬碳微觀(guān)上亂層“紙牌屋”結構的存在，硬碳材料在機械強度和結構穩定性方面展現出極大的優(yōu)勢，但是本征性質(zhì)較脆且易碎。如何將硬碳材料制備成超彈性塊材是目前面臨的一個(gè)挑戰。
圖1. 硬碳氣凝膠的制備。
（a）示意圖，表明通過(guò)使用納米線(xiàn)作為模板的通用合成方法；（b）以BCNF@RF為例，宏量合成RF納米纖維水凝膠；（c）硬碳氣凝膠SEM圖像；（d）顯示納米纖維網(wǎng)狀結構和纖維-纖維的焊接點(diǎn)。
? ? ? ??近期，俞書(shū)宏教授課題組受自然界中的蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)，通過(guò)模板法構筑納米纖維網(wǎng)絡(luò )結構，制備了一種具有納米纖維網(wǎng)絡(luò )結構的新型硬碳材料，具有超彈性、抗疲勞以及穩定性好等優(yōu)點(diǎn)。
? ? ? ??研究人員通過(guò)使用間苯二酚-甲醛（RF）樹(shù)脂作為硬碳源，以多種一維納米纖維作為結構模板制備RF的納米纖維氣凝膠，通過(guò)高溫碳化即可得到超彈性硬碳氣凝膠。這種硬碳氣凝膠微觀(guān)結構精細，由大量的納米纖維、以及納米纖維之間的焊接點(diǎn)構成（圖1）。這種方法簡(jiǎn)單高效，容易放大生產(chǎn)，通過(guò)調節模板與樹(shù)脂單體的添加量，可簡(jiǎn)便地調控納米纖維的直徑、氣凝膠的密度、機械性能等。
? ? ? ??與傳統硬而脆的硬碳塊材不同，這種硬碳氣凝膠表現出了優(yōu)異的彈性性能（圖2），主要包括結構穩定性（在壓縮50%之后，微觀(guān)結構依然能恢復）；高回彈速度（860 mm s-1），高于眾多石墨碳基的彈性材料；低能量損耗系數（<0.16），一般石墨及軟碳材料內部存在的分子間作用力，會(huì )造成粘附力和摩擦力從而耗散很多能量；抗疲勞性，在50％應變下測試104個(gè)循環(huán)后，碳氣凝膠僅顯示2％的塑性變形，并保持93％的初始應力。研究人員還探索了這種硬碳氣凝膠在彈性導體方面的應用，在50%的應變下多次壓縮循環(huán)后，電阻幾乎不變，展示出穩定的機械-電學(xué)性能，同時(shí)可以在苛刻的條件下（例如在液氮中）保持超彈性及電阻穩定性。
圖2.碳氣凝膠的機械性能。
（a）BCNF@C氣凝膠的原位SEM；（b）不同材料能量損耗系數的對比；（c）不同材料回彈速度的對比；（d）碳氣凝膠不同循環(huán)下的應力-應變曲線(xiàn)
? ? ? ? 基于其優(yōu)異的機械性能，這種硬碳氣凝膠有望在應用于具有高穩定性、大量程（50 KPa）、以及可拉伸或可彎曲的應力傳感器。此外，這種方法可擴展到制備其他非碳基復合納米纖維氣凝膠，為今后提供了一種通過(guò)設計納米纖維的微觀(guān)結構將剛性材料轉變成彈性或柔性材料的新途徑。
? ? ? ? “如同蜘蛛網(wǎng)，這種材料的內部結構是線(xiàn)與線(xiàn)之間交叉焊接，整體類(lèi)似于一個(gè)‘毛線(xiàn)團’?！敝锌拼蟛┦可乇榻B，這種結構設計賦予了材料新的性能。實(shí)驗顯示：其回彈速度每秒鐘達0.86米;“壓扁”10萬(wàn)次，外形、性能幾乎復原如初;在零下196攝氏度的低溫環(huán)境中，還能保持超彈性及電阻穩定性。
? ? ? ? ?研究論文以“Superelastic hard carbon nanofiber aerogels”為題近期發(fā)表在《先進(jìn)材料》上（Advanced Materials 2019, 1900651），并被選為被封底論文。論文的共同第一作者為中國科大博士后于志龍和博士生秦冰。