具有超彈性和抗疲勞性的輕質可壓縮材料，尤其是其中適應廣闊溫度范圍的材料，是航空航天、機械緩沖、能量阻尼和軟機器人等領域的理想材料。許多低密度的聚合物泡沫是高度可壓縮的，但它們在重復使用時往往易疲勞，并在聚合物玻璃化轉變和熔融溫度附近發生超彈性退化。盡管研究者已經開發出各種熱穩定的輕質金屬和陶瓷泡沫材料，但它們通常都只具有最小的可逆壓縮性，并且在循環變形下表現出疲勞。碳納米管和石墨烯因其具有固有的超彈性和熱機械穩定性，近年來被用作制備輕量超彈性材料的基本材料。雖然已有相關文獻報道了這類材料的優異性能，但這些工作所涉及的復雜設備和制備過程使其只能制備毫米級尺寸的材料。另一方面，自然中從幾億年進化而來的生物材料以許多機械效率高的例子吸引著科學家和工程師，這些材料通常具有復雜的層次結構。例如，一生中要經受多次加載循環的具有多層纖維組織的動物和人的肌腱，以及最古老的輕質結構材料之一，具有較高的比強度和抗疲勞性能的木材。雖然這些結構生物材料表現出優異的力學性能，但由于它們是純有機或有機/無機雜化結構，通常只能在很窄的溫度范圍內工作。因此，將這些非熱穩定的結構生物材料轉化為具有固有層次結構的熱穩定石墨材料，可以創造出熱力學穩定的材料。

【成果簡介】

最近，中國科學技術大學俞書宏院士研究團隊和梁海偉教授課題組報道了一種通過熱解化學控制，將結構生物材料（BC，即細菌纖維素）熱轉化為石墨碳納米纖維氣凝膠（CNFAs）的方法。其制備的碳氣凝膠完美地繼承了細菌纖維素從宏觀到微觀的層次結構，具有顯著的熱機械性能。特別是在經歷2×106次壓縮循環后仍能保持超彈性而不發生塑性變形，在至少-100~500℃的大范圍溫度范圍內具有優異的不隨溫度變化的超彈性和抗疲勞性能。這種氣凝膠在熱機械穩定性和抗疲勞性能方面比高分子泡沫、金屬泡沫和陶瓷泡沫有獨特的優勢，實現了大規模合成，并具有生物材料的經濟優勢。相關成果以“Temperature-Invariant Superelastic and Fatigue Resistant Carbon Nanofiber Aerogels”發表于Adv. Mater.期刊上。

【圖文導讀】

圖一、宏觀尺寸CNFAs的合成

（a）CNFAs制造工藝示意圖；

（b）純BC和BC浸漬NH4H2PO4、（NH4）2SO4、NH4Cl、（NH4）3PO4、NaH2PO4或KH2PO4的TG曲線；

（c）純BC和BC浸漬不同濃度NH4H2PO4后的TG曲線；

（d）以純BC和BC為原料，在800 °C下加入不同量的NH4H2PO4炭化制備CNFAs（NH4H2PO4的重量比分別為0.5、4.8、16、44和62 wt%）；

（e）1200 ℃下制備的CNFAs的密度和導電性；

（f ~g）在800℃下制備的CNFAs照片，展示了其可以大規模制備。

圖二、BC氣凝膠和CNFAs的微觀結構

（a）碳氣凝膠在不同放大倍數下的SEM圖像，展示了其層次結構；

（b）CNFAs的SEM圖像，說明CNFAs完全繼承了BC的層次結構。

圖三、CNFAs的壓縮性能和抗疲勞性能

（a）CNFAs在90%形變下的壓縮應力-應變曲線。插圖為放大的壓縮應力-應變曲線；

（b~e）b）20%應變時2×106次循環，c）40%應變時1×106次循環，d）60%應變時5×105次循環，e）80%應變時2×104次循環；

（f）CNFAs與報道材料（包括層狀碳材料、石墨烯涂層碳納米管氣凝膠、石墨烯氣凝膠、碳納米管陣列、PAN-SiO2氣凝膠）的抗疲勞性能比較。每一種材料的形變量也被標記出來。

圖四、CNFAs在T = -100~500℃時N2中的熱力學穩定的力學性能

（a~c）形變為20%、40%、60%和80%時CNFAs的壓縮應力-應變曲線，溫度分別為：a）-100 °C、b）25 °C和c）500 °C；

（d）CNFAs在T = -100-500℃時的粘彈性（儲存模量、損耗模量和阻尼比）；

（e）CNFA、三聚氰胺、PU和EPE泡沫的儲存模量隨溫度的變化；

（f）不同溫度下CNFAs在1×105次循環中的儲存模量和損耗模量。

【小結】

綜上所述，作者開發了一種利用無機鹽對細菌纖維素（BC）進行熱解化學調控，實現大規模合成、形態保留的碳化工藝。研究發現，制備的CNFA較好地繼承了BC從宏觀到微觀的層次結構，在較寬的溫度范圍內表現出明顯的不隨溫度改變超彈性和抗疲勞性能。由于CNFA具有優異的熱機械性能和可實現擴展合成，因此作者認為，它在各種應用領域都有著巨大的潛力，特別是需要在廣闊溫度范圍內穩定工作的應用領域，如機械緩沖、壓力傳感器、能量阻尼、航天太陽能電池等。