具有超高拉伸彈性的石墨烯氣凝膠

近日 ，青島科技大學高分子學院張建明教授團隊等在材料領域知名期刊《Materials Horizons》（影響因子15.717，中科院分區材料1區）發表了題為“Ultra-stretchable graphene aerogels at ultralowtemperatures”的研究論文（DOI: 10.1039/d3mh00014a） 。高分子學院碩士研究生楊國徽和張曉方副教授為共同第一作者 ，楊洪生副教授和宗魯副教授為共同通訊作者 。

石墨烯氣凝膠具有多孔且穩定的交聯網絡 ，表現出了許多特殊的力學性能 ，如超高可逆壓縮形變(99%應變) 、在極端溫度(4 K - 1273 K)下，具有優異的疲勞耐久性(100萬次壓縮)和機械穩定性 。獨特的機械性能加上多功能性 ，使石墨烯氣凝膠比聚合物基功能材料更有希望應對極端惡劣環境 。近幾年 ，張建明教授團隊在石墨烯氣凝膠規模化製備和高性能化方向取得了一係列成果 ，包括 ：常壓幹燥法製備高壓縮彈性石墨烯氣凝膠（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 19268.） ，氣泡模板法製備大尺寸高壓縮彈性石墨烯氣凝膠（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 1303.） ，膠乳複合策略製備結構穩定的石墨烯氣凝膠（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 1378.） ，石墨烯/ZIF-8雜化氣凝膠（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 827.） ，高效光熱產水石墨烯/PVA複合凝膠（ACS Nano 2021, 15, 12, 19877–19887） ，超快熱還原石墨烯氣凝膠（Chem. Commun., 2022,58, 13349-13352）等 。然而 ，與傳統橡膠或水凝膠相比 ，目前石墨烯氣凝膠的可逆拉伸應變(最大200%)仍然非常低 ，極大限製了該類材料的應用 。眾所周知 ，高卷曲的高分子交聯網絡賦予了聚合物超高的拉伸彈性 。然而 ，利用陶瓷或碳材料等無機材料來構建上述結構並實現這種拉伸性能是非常具有挑戰性的 。這項工作中，通過簡單的兩步方法 ，開發了具有高度卷曲交聯網絡的超拉伸石墨烯氣凝膠 ，實現了前所未有的-95%到400%的可逆伸長率 。首先 ，通過氣泡模板輔助方法組裝直徑為數百微米的交聯球形石墨烯納米殼 。然後 ，采用壓縮-退火法對球形納米殼進行進一步的卷曲和固定 。皺縮的石墨烯結構雖然可以固定 ，但高溫退火後由於高壓縮產生的許多新界麵也會被焊接 ，就像橡膠過度交聯一樣 ，拉伸彈性很差 。通過對石墨烯表麵含氧基團和卷曲度的精確控製 ，很好地解決了這一矛盾 。結果表明 ，當退火溫度為300℃ ，預應變為80%時 ，石墨烯納米殼形成強麵內相互作用和弱界麵相互作用 ，使高度卷曲的結構不僅可以被固定 ，而且可以通過拉伸重新回到球形狀態 。通過有限元模擬 ，確定了壓縮和拉伸過程的變形機理 。製備的超高拉伸彈性石墨烯氣凝膠在-196.5℃至300℃範圍內表現出類似橡膠的優異彈性 。這種泊鬆比接近於零的導電氣凝膠具有典型的低應變高靈敏度(< 50%)和大應變下特有的超低靈敏度(50% ~ 400%) 。結果表明 ，這種新型可拉伸導電材料 ，可作為穩定的超可拉伸導體應用於極端低溫環境 ，在航天探測領域具有極好的應用前景 。

圖1 、超拉伸石墨烯氣凝膠製備過程 。

圖2 、超拉伸石墨烯氣凝膠的應變-電阻響應特性和低溫應用展示 。

該工作得到了國家自然科學基金（52202039, 51903134） 、山東省自然科學基金（ZR2022QB022） 、橡塑材料與工程教育部重點實驗室開放課題（KF2020009）等項目的資助 。文章鏈接 ：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00014a

來源 ：青島科技大學

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