三維石墨烯超材料研究方面取得重要進展

　　【儀表網 儀表上游】近日，蘭州大學土木工程與力學學院在三維石墨烯超材料研究方面取得重要進展，先后在材料工程領域刊物Advanced Materials 發表論文2篇，在美國化學學會旗下材料科學Top期刊ACS Applied Materials & Interfaces 發表論文一篇。
 

 

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　　三篇文論題目分別為：“Flyweight, Superelastic, Electrically Conductive and Flaming Retardant 3D Multi-NanolayerGraphene/Ceramic Metamaterial”、“Naturally Dried Graphene Aerogels with Superelasticity and Tunable Poisson's Ratio”和“Flyweight 3D graphene scaffolds with micro-interface barrier derived tunable thermal insulation and flame retardancy”。該校張強強副教授為論文作者(其中一篇為共同一作)，蘭州大學作為其中兩篇通訊單位。
 

　　石墨烯(Graphene)獨特的晶體結構賦予了其優異的力、電、光、熱等性能，吸引科學家的研究興趣。“如何在大尺度制備石墨烯的宏觀構筑體”是目前材料、物理、力學等學科重要的熱點領域之一，對于推動石墨烯微納尺度優異特性在宏觀大尺度利用和多功能化發展具有重要的意義。
 

　　蘭州大學青年教師張強強副教授與哈爾濱工業大學李惠教授、普渡大學Tim Fisher 和Gary Cheng教授等人開展合作，并依托西部災害與環境力學教育部重點實驗室在功能材料方向的研究平臺，開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展。
 

　　仿生啟發自然干燥制備技術和可調變泊松比效應。基于生物纖維束微觀交聯實現結構強化的仿生思想，采用Na2B4O7強化微觀骨架初始剛度，C2H8N2調控石墨烯片還原程度優化微觀孔隙表面張力，調控石墨烯凝膠骨架初始剛度和溶劑蒸發的毛細應力平衡，實現在常溫常壓下蒸發樣品所含溶劑并保持其體積不收縮、結構不坍塌。
 

 

　　實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，對于石墨烯材料的低成本、大尺度、大規模化生產應用具有重要意義。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所得材料更為優良的性能，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。(Adv. Mater.,201628, 9223-9230. DOI:10.1002/adma.201605506)
 

　　三維石墨烯基納米陶瓷復合材料多尺度超彈性效應。基于石墨烯橋接裂紋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)技術可控沉積納米厚度Al2O3納米陶瓷，微觀上形成了“納米陶瓷-石墨烯-納米陶瓷”三明治復合夾層納米結構，實現了80%彈性變形、耐疲勞增韌特性和超過200%力學性能強化，發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。(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605506.)
 

 

　　微界面熱阻調控實現超絕熱和耐火性能。基于設計石墨烯微觀上片層組裝界面熱阻，控制微觀骨架的傳熱路徑，增強聲子界面定向散射，實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~0.0126 W/(m•K)。以及由于微觀石墨烯單元高活化能導致的良好耐火特性和力學穩定性。(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 (16), 14232–14241. DOI: 10.1021/acsami.7b01697)
 

 

　　該系列研究豐富了石墨烯材料研究方法，發展了基于微觀結構設計優化宏觀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域。
 

　　(原標題：蘭州大學：三維石墨烯超材料研究方面取得重要進展 系列研究豐富石墨烯材料研究方法)