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日前彈簧彈力 示意圖，中國農業大學余書紅教授團隊成功研發出兼顧高壓縮性和拉伸性的超彈性全碳微孔材料。 研究人員稱其為“碳彈簧”。
微孔碳材料由于其廣泛的應用，至今仍是材料科學領域的研究熱點。 在實際應用中，機械柔韌性是決定結構穩定性和耐久性的關鍵因素。 經過近六年的大量研究，微孔碳材料的壓縮延展性問題得到了很好的解決，并成功制備出多種高壓縮彈性微孔碳材料。 然而，由于三維微孔碳網絡之間的連接非常脆弱，如何開發具有可逆拉伸性的微孔碳材料仍然是一個很大的挑戰。
日前，中國農業大學余書紅教授團隊成功研發出兼顧高壓縮性和拉伸性的超彈性全碳微孔材料。 研究人員稱其為“碳彈簧”。 其獨特的微觀結構和性能使其成為制造智能振動和磁傳感器元件的理想材料，所獲得的傳感器元件甚至可以在極端氣溫環境（-100至350°C）下有效發揮作用。 該研究成果以《》為題發表。 中國科學技術大學副研究員高懷玲和博士生王澤宇、崔晨為該論文的共同第一作者。
此前，該團隊的研究人員受到人類“足弓”宏觀彈性足弓結構的啟發，利用其單向冰模板技術，成功打造出由微孔有序堆疊組成的全碳微孔。拱形結構單元。 材料，實現高壓縮性和超彈性（Nat..2016, 7, 12920）。 最近，他們又從“弓”的彈性變形機制中得到靈感。 通過深入研究，他們表明，引入這些奇特的長程有序層狀微拱結構，不僅可以解決微孔碳材料的壓縮延展性問題，還可以有效解決其拉伸延展性問題。 基于此，研究人員成功研制出這些“碳彈簧”，可以在-60%到80%的大應變范圍內實現可逆拉伸和壓縮變形，并能充分回彈，類似于真正的金屬彈簧，這些彈性特性使其與眾不同來自幾乎所有最初報道的微孔碳材料（圖 1）。 據悉彈簧彈力 示意圖，研究人員通過結合原位掃描電鏡觀察和有限元模擬，否定了其彈性變形機制。
圖1 碳彈簧制備工藝及其微觀組織和力學性能示意圖
鑒于碳彈簧獨特的變形機制和力學性能，以及良好的導電性，研究人員將其作為關鍵部件，成功研制出可測量微小振動的應變傳感器元件。 其應變測量極限至少為±0.5%，可測量的最高振動頻率至少為，能夠靈敏響應多種復雜的振動模式，包括模擬洪水波振動（圖2a-f）。 據悉，研究人員通過預先將Fe3O4納米粒子共組裝到材料框架中，獲得了一種可以由磁場驅動的磁性碳彈簧。 磁性碳彈簧也可以作為關鍵部件，從而產生一種新型的磁性傳感器元件。 結果表明，磁傳感器可以靈敏地檢測小至 0.4 mT 的微小磁場（圖 2g-k）。 令人印象深刻的是，兩種傳感器元件都可以在-100°C至350°C的極端溫度環境中穩定工作。 這些獨特的優勢使其有可能應用于外層空間探測任務。
圖2 碳彈簧在智能振動和磁敏元件中的應用
該工作為構建新型智能振動和磁傳感提供了一條有效途徑，并為借助其他無機組分為極端應用創造高度可擴展的微孔材料提供了新策略。
該研究得到國家自然科學基金創新研究群體捐贈項目、國家自然科學基金、中國科學院前沿重點項目、中央高校基礎科學研究業務專項資金、安徽省高校協同創新項目，中國科學技術大學同步輻射聯合基金。 捐。
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