顆粒在線訊：多孔碳材料由于具有低密度、高導(dǎo)電性、機械柔韌性和在極端環(huán)境中的穩(wěn)定性而展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用，如傳感器，致動器和能量轉(zhuǎn)換材料。尤其是機械柔韌性對決定其在實際應(yīng)用中的耐久性和可靠性具有重要意義。過去幾十年中大量研究致力于制備高性能多孔碳材料，主要集中在應(yīng)用具有優(yōu)異固有特性的成分和設(shè)計獨特的層次結(jié)構(gòu)。因此，壓縮脆性得到了很好的解決，并開發(fā)了各種具有令人印象深刻的超壓縮性和超彈性的先進碳單塊。與壓縮彈性相比，可逆拉伸性同樣重要，尤其是在某些振動應(yīng)用條件下。然而，到目前為止，很少有報道制造高度可拉伸的多孔碳單塊。因此，創(chuàng)造兼具高壓縮性和拉伸性的彈性多孔碳材料是一項巨大的挑戰(zhàn)。

鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊制備了一種高度可壓縮和可拉伸的多孔全碳材料。當(dāng)引入獨特的長程層狀多拱結(jié)構(gòu)時，可以在-80%至80%的大應(yīng)變下實現(xiàn)彈性壓縮性和拉伸性。令人印象深刻的是，多孔全碳材料在循環(huán)壓縮-拉伸過程的加載條件下可以保持可靠的結(jié)構(gòu)堅固性和耐久性，類似于真正的金屬彈簧。獨特的性能使其成為制造智能振動和磁性傳感器的有前途的平臺，甚至能夠在極端溫度下運行。這項研究為從其他純無機成分中創(chuàng)造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(yīng)用。相關(guān)工作以“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring for Smart Vibration and Magnetism Sensors”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

多孔碳材料的制備及機械性能

為了獲得碳彈簧，首先通過雙向冷凍方法制備了由殼聚糖（CS）和氧化石墨烯（GO）組成的遠(yuǎn)程層狀支架（圖1）。在冷凍過程中，在CS-GO分散體中形成并平行生長的層狀冰晶。不斷增長的層狀冰晶將成分推入它們的界面，形成最終的層狀支架。高分辨率掃描電子顯微鏡(HRSEM)和透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像顯示薄片由嵌入無定形碳中的皺巴巴的石墨烯形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。所制備的多孔碳材料的密度測量為約11mg cm-3，對應(yīng)于約99.4%的孔隙率。具有長程片狀結(jié)構(gòu)的碳彈簧顯示出較大的彈性拉伸性，破壞前的最大拉伸應(yīng)變甚至為-80%。典型的碳彈簧可以在80%的壓縮應(yīng)變和-60%的拉伸應(yīng)變下沿垂直于其薄片的方向彈回其原始形狀，而不會出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)損壞。這種彈性行為類似于真正的金屬彈簧。動態(tài)熱機械分析進一步證實了碳彈簧保持相對穩(wěn)定的彈性性能和優(yōu)異的耐疲勞性。此外，作者通過有限元模擬證實，大的面外變形和彈性恢復(fù)是碳彈簧可逆壓縮性和可逆拉伸性的機制（圖2）。

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

碳彈簧傳感器的傳感性能

可逆拉伸和壓縮過程的獨特變形機制與優(yōu)異的抗疲勞性和良好的導(dǎo)電性相結(jié)合，使碳彈簧成為制造用于振動檢測的應(yīng)變傳感器的有前途的平臺。相鄰薄片之間的接觸點在拉伸過程中會減少，并在壓縮過程中增加。這些過程導(dǎo)致基于碳彈簧的應(yīng)變傳感器的電導(dǎo)率發(fā)生響應(yīng)變化。電阻變化（ΔR/R)值隨著所施加應(yīng)變的變化幾乎呈線性下降，范圍從-20%到20%，檢測限至少為應(yīng)變的±0.5%。這意味著導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中的接觸點在此過程中幾乎均勻地變化。值得注意的是，發(fā)現(xiàn)其靈敏度從-60%急劇下降到60%，也可以獲得穩(wěn)定的電信號。此過程中靈敏度絕對值的下降歸因于壓縮過程中應(yīng)力幾乎呈指數(shù)增長。應(yīng)變傳感器對循環(huán)壓縮-拉伸過程的響應(yīng)表明，經(jīng)過幾百個循環(huán)后，ΔR/R逐漸變得穩(wěn)定。作者進一步研究了傳感器在極端溫度環(huán)境中（-100°C到350°C）的傳感性能。結(jié)果表明，基于碳彈簧應(yīng)變傳感器具有在廣泛的工作溫度范圍內(nèi)應(yīng)用的極大優(yōu)勢。

圖3碳彈簧的應(yīng)變傳感器的傳感性能

另外，研究人員還通過將Fe3O4納米粒子(NPs)結(jié)合到碳彈簧框架中制成了磁力執(zhí)行器。摻入的Fe3O4 NPs均勻分散在所得復(fù)合氣凝膠的薄片中，并在退火過程后保持其初始形態(tài)。獲得的復(fù)合氣凝膠保持了獨特的長程層狀多拱微觀結(jié)構(gòu)以及-60％至80％的大應(yīng)變下的彈性壓縮性和拉伸性。樣品以拉伸和彎曲變形的方式顯示出優(yōu)異的磁場誘導(dǎo)驅(qū)動，并且在移除磁鐵后可以快速恢復(fù)到其初始狀態(tài)。磁傳感器展示了在極端溫度環(huán)境中（范圍從-150°C到350°C）有效運行的能力。在較高溫度條件下的磁傳感性能優(yōu)于較低溫度條件下，但在極低溫度（-150°C）下仍顯示出高靈敏度。磁傳感器這種高靈敏度和出色的穩(wěn)定性，使其能夠在許多不利的溫度條件下檢測和響應(yīng)外部磁場，甚至可以安全地滿足火星上的要求。

圖4碳彈簧的磁傳感器的傳感性能

小結(jié)：作者設(shè)計了一種獨特的長程層狀多拱微結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生一種真正的彈簧狀碳材料。這項工作代表了多孔碳材料在大應(yīng)變（從-80%到80%）下實現(xiàn)彈性壓縮性和拉伸性的首次實現(xiàn)，為從其他純無機成分設(shè)計高度可拉伸和可壓縮多孔材料的可能性提供了啟示。獨特的機械性能以及良好的導(dǎo)電性和易于功能化使碳彈簧成為制作高性能接觸式振動傳感器和非接觸式磁傳感器的良好平臺。此外，這兩種傳感器都能夠在極端溫度環(huán)境下工作，可以滿足太空探索等許多特殊任務(wù)的要求。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102724