中科大俞书宏院士最新《AM》：超级碳弹簧！

多孔碳材料由于具有低密度、高导电性、机械柔韧性和在极端环境中的稳定性而展现出广泛的应用，如传感器，致动器和能量转换材料。尤其是机械柔韧性对决定其在实际应用中的耐久性和可靠性具有重要意义。过去几十年中大量研究致力于制备高性能多孔碳材料，主要集中在应用具有优异固有特性的成分和设计独特的层次结构。因此，压缩脆性得到了很好的解决，并开发了各种具有令人印象深刻的超压缩性和超弹性的先进碳单块。与压缩弹性相比，可逆拉伸性同样重要，尤其是在某些振动应用条件下。然而，到目前为止，很少有报道制造高度可拉伸的多孔碳单块。因此，创造兼具高压缩性和拉伸性的弹性多孔碳材料是一项巨大的挑战。

鉴于此，中国科学技术大学俞书宏院士团队制备了一种高度可压缩和可拉伸的多孔全碳材料。当引入独特的长程层状多拱结构时，可以在-80%至80%的大应变下实现弹性压缩性和拉伸性。令人印象深刻的是，多孔全碳材料在循环压缩-拉伸过程的加载条件下可以保持可靠的结构坚固性和耐久性，类似于真正的金属弹簧。独特的性能使其成为制造智能振动和磁性传感器的有前途的平台，甚至能够在极端温度下运行。这项研究为从其他纯无机成分中创造高度可拉伸和可压缩的多孔材料提供了宝贵的见解，以用于未来的各种应用。相关工作以“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring for Smart Vibration and Magnetism Sensors”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

多孔碳材料的制备及机械性能

为了获得碳弹簧，首先通过双向冷冻方法制备了由壳聚糖（CS）和氧化石墨烯（GO）组成的远程层状支架（图1）。在冷冻过程中，在CS-GO分散体中形成并平行生长的层状冰晶。不断增长的层状冰晶将成分推入它们的界面，形成最终的层状支架。高分辨率扫描电子显微镜(HRSEM)和透射电子显微镜(HRTEM)图像显示薄片由嵌入无定形碳中的皱巴巴的石墨烯形成复合结构。所制备的多孔碳材料的密度测量为约11mg cm-3，对应于约99.4%的孔隙率。具有长程片状结构的碳弹簧显示出较大的弹性拉伸性，破坏前的最大拉伸应变甚至为-80%。典型的碳弹簧可以在80%的压缩应变和-60%的拉伸应变下沿垂直于其薄片的方向弹回其原始形状，而不会出现明显的结构损坏。这种弹性行为类似于真正的金属弹簧。动态热机械分析进一步证实了碳弹簧保持相对稳定的弹性性能和优异的耐疲劳性。此外，作者通过有限元模拟证实，大的面外变形和弹性恢复是碳弹簧可逆压缩性和可逆拉伸性的机制（图2）。

图1多孔碳材料的制备及机械性能

图2碳弹簧的大可逆拉伸性的机制

碳弹簧传感器的传感性能

可逆拉伸和压缩过程的独特变形机制与优异的抗疲劳性和良好的导电性相结合，使碳弹簧成为制造用于振动检测的应变传感器的有前途的平台。相邻薄片之间的接触点在拉伸过程中会减少，并在压缩过程中增加。这些过程导致基于碳弹簧的应变传感器的电导率发生响应变化。电阻变化（ΔR/R)值随着所施加应变的变化几乎呈线性下降，范围从-20%到20%，检测限至少为应变的±0.5%。这意味着导电网络中的接触点在此过程中几乎均匀地变化。值得注意的是，发现其灵敏度从-60%急剧下降到60%，也可以获得稳定的电信号。此过程中灵敏度绝对值的下降归因于压缩过程中应力几乎呈指数增长。应变传感器对循环压缩-拉伸过程的响应表明，经过几百个循环后，ΔR/R逐渐变得稳定。作者进一步研究了传感器在极端温度环境中（-100°C到350°C）的传感性能。结果表明，基于碳弹簧应变传感器具有在广泛的工作温度范围内应用的极大优势。

图3碳弹簧的应变传感器的传感性能

另外，研究人员还通过将Fe3O4纳米粒子(NPs)结合到碳弹簧框架中制成了磁力执行器。掺入的Fe3O4NPs均匀分散在所得复合气凝胶的薄片中，并在退火过程后保持其初始形态。获得的复合气凝胶保持了独特的长程层状多拱微观结构以及-60％至80％的大应变下的弹性压缩性和拉伸性。样品以拉伸和弯曲变形的方式显示出优异的磁场诱导驱动，并且在移除磁铁后可以快速恢复到其初始状态。磁传感器展示了在极端温度环境中（范围从-150°C到350°C）有效运行的能力。在较高温度条件下的磁传感性能优于较低温度条件下，但在极低温度（-150°C）下仍显示出高灵敏度。磁传感器这种高灵敏度和出色的稳定性，使其能够在许多不利的温度条件下检测和响应外部磁场，甚至可以安全地满足火星上的要求。

图4碳弹簧的磁传感器的传感性能

小结：作者设计了一种独特的长程层状多拱微结构，可以有效避免多孔碳基整料的压缩脆性和拉伸脆性，从而产生一种真正的弹簧状碳材料。这项工作代表了多孔碳材料在大应变（从-80%到80%）下实现弹性压缩性和拉伸性的首次实现，为从其他纯无机成分设计高度可拉伸和可压缩多孔材料的可能性提供了启示。独特的机械性能以及良好的导电性和易于功能化使碳弹簧成为制作高性能接触式振动传感器和非接触式磁传感器的良好平台。此外，这两种传感器都能够在极端温度环境下工作，可以满足太空探索等许多特殊任务的要求。