近日，蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院在三維石墨烯超材料研究方面取得重要進(jìn)展，發(fā)展了基于微觀(guān)結構設計優(yōu)化宏觀(guān)性能的石墨烯超材料研究策略，使其可廣泛應用于柔性驅動(dòng)器、大應變傳感器、柔性電極材料、藥物傳輸、超輕保溫及防護、航天航空隔熱屏蔽等領(lǐng)域。
石墨烯(Graphene)獨特的晶體結構賦予了其優(yōu)異的力、電、光、熱等性能，吸引全球科學(xué)家的研究興趣。“如何在大尺度制備石墨烯的宏觀(guān)構筑體”是目前材料、物理、力學(xué)等學(xué)科重要的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，對于推動(dòng)石墨烯微納尺度優(yōu)異特性在宏觀(guān)大尺度利用和多功能化發(fā)展具有重要的意義。
蘭州大學(xué)青年教師張強強副教授與哈爾濱工業(yè)大學(xué)李惠教授、普渡大學(xué)Tim Fisher 和Gary Cheng教授等人開(kāi)展合作，并依托西部災害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室在功能材料方向的研究平臺，開(kāi)展了基于仿生機制三維石墨烯超材料自然干燥可控制備、可調控泊松比效應探索、微界面調變超絕熱特性，以及超彈性和力學(xué)增韌強化的納米陶瓷/石墨烯復合材料等方面的研究，取得了系列重要研究進(jìn)展。
仿生啟發(fā)自然干燥制備技術(shù)和可調變泊松比效應?；谏锢w維束微觀(guān)交聯(lián)實(shí)現結構強化的仿生思想，采用Na2B4O7強化微觀(guān)骨架初始剛度，C2H8N2調控石墨烯片還原程度優(yōu)化微觀(guān)孔隙表面張力，調控石墨烯凝膠骨架初始剛度和溶劑蒸發(fā)的毛細應力平衡，實(shí)現在常溫常壓下蒸發(fā)樣品所含溶劑并保持其體積不收縮、結構不坍塌。
首次實(shí)現了常溫常壓條件大尺度制備三維石墨烯材料的自然干燥技術(shù)，對于石墨烯材料的低成本、大尺度、大規?；a(chǎn)應用具有重要意義。該方法制備得到的氣凝膠具有比傳統冷凍干燥或者超臨界干燥技術(shù)所得材料更為優(yōu)良的性能，如高達99%的可恢復壓縮超彈性、可調節泊松比特性、高電導率、穩定壓阻效應等。
三維石墨烯基納米陶瓷復合材料多尺度超彈性效應?；谑蚪恿鸭y界面的強化增韌機制和納米尺度晶粒有效增強彈塑性變形的效應，采用“自下而上”的制備工藝和微觀(guān)結構可控設計策略，以水熱制備三維石墨烯氣凝膠為基底模板，以原子層沉積(ALD)技術(shù)可控沉積納米厚度Al2O3納米陶瓷，微觀(guān)上形成了“納米陶瓷-石墨烯-納米陶瓷”三明治復合夾層納米結構，實(shí)現了80%彈性變形、耐疲勞增韌特性和超過(guò)200%力學(xué)性能強化，發(fā)現了陶瓷復合材料在納米尺度上的超彈性效應和尺寸效應。這對解決功能陶瓷復合材料固有脆性和低韌性提供了新的思路和方法手段。
微界面熱阻調控實(shí)現超絕熱和耐火性能?；谠O計石墨烯微觀(guān)上片層組裝界面熱阻，控制微觀(guān)骨架的傳熱路徑，增強聲子界面定向散射，實(shí)現三維石墨烯超輕材料導熱系數的可控調變，得到了超輕密度<2mg/cm3低于空氣導熱系數的超絕熱特性以及由于微觀(guān)石墨烯單元高活化能導致的良好耐火特性和力學(xué)穩定性
該系列研究豐富了石墨烯材料研究方法，發(fā)展了基于微觀(guān)結構設計優(yōu)化宏觀(guān)性能的石墨烯超材料研究策略，使其可廣泛應用于柔性驅動(dòng)器、大應變傳感器、柔性電極材料、藥物傳輸、超輕保溫及防護、航天航空隔熱屏蔽等領(lǐng)域。
資料來(lái)源：蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院
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