三維石墨烯材料的制備及微觀結(jié)構(gòu)

具有較大可逆形變功能的彈性材料在各種工程應(yīng)用中具有廣泛需求。然而，目前幾乎所有高彈性材料的彈性及力學(xué)性能都會受到溫度影響，無法在外太空等深低溫環(huán)境下保持材料的優(yōu)良性能。

近日，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授陳永勝團(tuán)隊聯(lián)合美國萊斯大學(xué)研獲了一種新型三維石墨烯材料，該材料可在4K(約-269℃)深低溫到1273K(約1000℃)高溫區(qū)間保持良好的穩(wěn)定性和高彈性。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

既往研究顯示，具有壓縮彈性的三維石墨烯材料在室溫下具有大形變量可回復(fù)的彈性變形能力，且當(dāng)材料被浸于液氦中(77K，約-196℃)或900℃的惰性氣氛中，該材料的力學(xué)行為同樣表現(xiàn)。

陳永勝團(tuán)隊研獲的三維石墨烯材料，由無序排列的單層石墨烯片通過共價鍵化學(xué)交聯(lián)而構(gòu)成，在低至液氦溫區(qū)的極端低溫條件下具有與室溫下相同的力學(xué)性能，包括高度可回復(fù)的超級彈性、不變的楊氏模量、近零泊松比以及出色的抗疲勞性能。

通過自主搭建的力學(xué)性能測試系統(tǒng)，研究人員精確、系統(tǒng)地測試了在4~1273K(約-269~1000℃)溫度范圍內(nèi)，三維石墨烯材料的各項力學(xué)性能。此外，團(tuán)隊利用改造的掃描電子顯微鏡和原位變溫樣品臺，獲得了三維石墨烯材料在極端低溫和高溫條件下壓縮—回彈過程中微觀結(jié)構(gòu)的變形特征，并通過理論模型計算驗證，闡明了這一新型材料溫度不變性源于石墨烯特有的sp2雜化的二維碳原子平面晶體結(jié)構(gòu)。

研究人員指出，石墨烯和三維石墨烯材料顯著的力學(xué)穩(wěn)定性，使其成為深低溫條件下的最佳研究對象，此次研獲的新型“太空海綿”在航天裝備制造等領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景。