近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)成功研制出一種兼具高度可壓縮性和可拉伸性的超彈性全碳多孔材料——“碳彈簧”（ Carbon Spring）。其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和性能使其成為制造智能振動和磁性傳感器件的理想材料，所獲得的傳感器件甚至能夠在極端溫度環(huán)境下（-100℃-350℃）有效地發(fā)揮作用。研究成果發(fā)表在Advanced Materials期刊，鏈接地址：https://doi.org/10.1002/adma.202102724

碳彈簧制備過程示意圖及其微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能特征

多孔碳材料以其誘人的特性得到了廣泛的應(yīng)用，機(jī)械柔韌性是保證其耐久性的基本要素。經(jīng)過幾十年的研究，多孔炭材料的壓縮脆性問題得到了很好的解決。然而，由于多孔碳網(wǎng)絡(luò)固有的弱連接和脆弱的連接，可逆拉伸性仍然很難實(shí)現(xiàn)。

此前，該團(tuán)隊(duì)的研究人員受人類“足弓”的宏觀彈性拱形結(jié)構(gòu)啟發(fā)，借助他們發(fā)展的雙向冰模板技術(shù)，成功構(gòu)筑了由微拱結(jié)構(gòu)單元有序堆疊構(gòu)成的全碳多孔材料，實(shí)現(xiàn)了高度可壓縮性和超彈性。近來，他們再次從“弓”的彈性變形機(jī)制獲取靈感，通過深入研究表明，引入的這種獨(dú)特的長程有序?qū)訝钗⒐敖Y(jié)構(gòu)，不僅可以解決多孔碳材料的壓縮脆性問題，同時(shí)還可以有效解決其拉伸脆性問題。基于此，研究人員成功研制出這種“碳彈簧”，該碳彈簧可以在-60%至80%的大應(yīng)變范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可逆的拉伸和壓縮形變，并能完全回彈，類似于真正的金屬彈簧，這種彈性特性使其與幾乎所有先前報(bào)道的多孔碳材料區(qū)分開來（圖1）。此外，研究人員通過結(jié)合原位掃描電鏡觀察和有限元模擬，證實(shí)了其彈性變形機(jī)制。

碳彈簧在智能振動和磁性傳感器件方面的應(yīng)用

鑒于該碳彈簧的獨(dú)特變形機(jī)制和機(jī)械性能，以及良好的導(dǎo)電性，研究人員將其作為關(guān)鍵部件，成功研制了可檢測微小振動的應(yīng)變傳感器件，其應(yīng)變檢測限至少為±0.5%，可檢測的最高振動頻率至少為1000 Hz，并能對多種復(fù)雜的振動模式做出靈敏的響應(yīng)，其中包括模擬的地震波振動（圖2a-f）。此外，研究人員通過預(yù)先將Fe3O4納米粒子共組裝到材料框架中，從而獲得了可被磁場驅(qū)動的磁性碳彈簧。該磁性碳彈簧也可被用作關(guān)鍵部件，進(jìn)而制造成了一種新型的磁性傳感器件。研究結(jié)果表明，該磁性傳感器可靈敏地探測到小至0.4 mT的微小磁場（圖2g-k）。令人印象深刻的是，這兩種傳感器件均可以在-100 ℃到350 ℃的極端溫度環(huán)境中穩(wěn)定地發(fā)揮作用，這種獨(dú)特優(yōu)勢使其應(yīng)用到外太空探測任務(wù)中成為可能。

參考來源：中國科大