成果簡介

多孔碳材料因其誘人的特性而被廣泛應用。機械柔性是保證其耐久性的基本屬性。經過幾十年的研究，多孔碳材料的壓縮脆性得到了很好的解決。然而，由于多孔碳網絡固有的弱連接和脆弱的接頭，其可逆拉伸性仍然難以實現。中科大俞書宏院士課題組在《Advanced Materials》期刊發表名為“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring for Smart Vibration and Magnetism Sensors”的論文，受拱形弓彈性變形的啟發，進一步研究了這種獨特的多孔碳材料在可伸縮變形下的彈性。結果顯示，多孔全碳材料在循環壓縮-拉伸過程的條件下可以保持可靠的結構堅固性和耐久性，類似于金屬彈簧。獨特的性能使其成為制造智能振動和磁性傳感器的有優良平臺，甚至能夠在極端溫度下運行。此外，這項研究為從其他純無機成分中制備高度可拉伸和可壓縮的多孔材料提供了寶貴的見解，以用于未來的各種應用。

圖文導讀

圖1、多孔碳材料的制備及機械性能

圖2、碳彈簧的大可逆拉伸性的機制

圖3、碳彈簧的應變傳感器的傳感性能

圖4、碳彈簧的磁傳感器的傳感性能

小結

通過設計一種獨特的長程層狀多拱微結構，可以有效避免多孔碳基整料的壓縮脆性和拉伸脆性，從而產生一種真正的彈簧狀碳材料，其表現出可靠的結構堅固性和耐用性。原位顯微觀察和有限元模擬證實，碳彈簧中對齊的拱形薄殼可以通過大的平面外變形分擔施加的應變以適應大的整體變形，同時在薄殼內承受微小的真實材料應變。此外，這兩種傳感器都能夠在極端溫度環境下工作，可以滿足太空探索等許多特殊任務的要求。

文獻：