Question

文献解读||西安交大王红洁教授Nature Communications 具有增强的弹性和抗疲劳性能的高度交联碳管气凝胶

Answer 1

西安交大王红洁教授在Nature Communications上发表论文，介绍了一种创新方法，通过组装互连碳管制造出具有高度压缩性和抗疲劳性能的气凝胶。这种气凝胶展现了极低的泊松比、超过20 MPa的最大强度和高达99%的完全可恢复应变，同时表现出优异的抗疲劳性能。在氩气环境中，其热稳定性高达2500摄氏度。气凝胶还具备可调的导电性和电磁屏蔽特性，展现出多功能性，为在恶劣环境下使用提供了理想的材料。

研究背景

碳气凝胶（CA）在热封、耗能、压力传感器和航空航天领域展现出潜力，但材料之间相互排斥的性质限制了其应用。构建具有可控结构、高强度、弹性与抗疲劳性的CA是关键挑战。由活性或不可石墨化碳制成的传统CA的变形能力有限且易碎。使用柔性纳米单元，如一维碳纤维和二维石墨烯，作为结构部件构建CA已取得进展。然而，这些单元在三维多孔结构中的组装，导致支柱容易变形，相应CA的机械强度较低。

生物网络原理启发下，研究中提出合理设计结构间交叉连接的重要性，除了微观结构设计外，支柱特性对CA压缩行为起着关键作用。多壁碳管因其特殊的机械性能被认为是构建坚固气凝胶的理想支柱之一，具有很高的灵活性和抗拉强度，但其弯曲和屈曲强度有限，原因是壁间弱范德华耦合导致接近零摩擦和较小能量耗散，影响CA的机械强度。

文章亮点

王红洁教授团队报告了一种制造具有高度交联结构的高性能碳管气凝胶（CTA）的方法。CTA展现出了改进的刚度和强度，由sp2和sp3杂化特性赋予。CTA表现出20.9 MPa的最大压缩应力、高达99%的完全可恢复应变，并在1000次压缩循环下，永久变形率小于1.5%，强度损失小于2%。CTA在2500 °C的Ar气氛中具有热稳定性。因此，CTA在各种实际应用中具有巨大的应用潜力，如设计用于恶劣环境的高精度压力传感器。

CTA的机械性能、压缩机理、动态力学性能和电磁干扰屏蔽性能在文中详细解析。CTA的抗冲击性测试显示显著变形后快速恢复，无结构损坏或坍塌。CTA在宽频率范围和温度下表现出稳定的热机械性能。未压缩CTA的反射屏蔽效能（SER）和吸收屏蔽效能（SEA）分别为约7 dB和约8 dB，导致总屏蔽效能（SET）约15 dB。对于厚度为2毫米的层状CTA，大量的碳管层可作为电磁波的有效屏障，减少电磁波传输。

结论

综上所述，王红洁教授团队提出了一种有效方法制备高性能CTA。CTA具有良好的机械性能，包括高机械强度、压缩回弹性和疲劳抗力。在Ar气氛中，其热稳定性高达2500 °C。CTA还具备抗冲击性、能量耗散以及高度可调节的电导率和电磁屏蔽性能，是可穿戴电子产品和高精度压力传感器等领域的理想选择。CTA展现出在恶劣环境下的应用潜力，为材料科学领域开辟了新的研究方向。