7月9日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁長(zhǎng)聘副教授課題組與美國(guó)布朗大學(xué)、加州理工大學(xué)合作，在《自然·納米科技》（Nature Nanotechnology）發(fā)表了題為“微米熱解碳的理論強(qiáng)度與類橡膠變形行為”（Theoretical strength and rubber-like behavior in micro-sized pyrolytic carbon）的研究論文，標(biāo)志著課題組在熱解碳材料制備和力學(xué)表征方面取得重要進(jìn)展。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0486-y

對(duì)于結(jié)構(gòu)材料而言，材料力學(xué)性能之間通常存在一定的矛盾和互斥，如高強(qiáng)度與低密度互斥、高強(qiáng)度與大變形互斥、高強(qiáng)度與高韌性互斥等。這些力學(xué)性能之間的矛盾和互斥成為嚴(yán)重制約結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主要瓶頸。近幾十年來(lái)，如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料同時(shí)具有超輕、高強(qiáng)度、大變形等優(yōu)異力學(xué)性能是現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)和制造的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，也是固體力學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

圖1. 微納米熱解碳的原位電鏡力學(xué)測(cè)試：（a）壓縮強(qiáng)度隨直徑的變化；（b）原位壓縮多周測(cè)試；（c）微納米熱解碳典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（d）原位壓縮時(shí)的電鏡照片。

在本項(xiàng)工作中，研究者將雙光子光刻與高溫?zé)峤饧夹g(shù)相結(jié)合，通過(guò)控制試樣尺寸、熱解溫度等重要參數(shù)，成功地制備了直徑為幾百納米到十幾微米的熱解碳圓柱。通過(guò)高分辨率透射電鏡、拉曼光譜以及電子能量損失光譜等技術(shù)表征，發(fā)現(xiàn)這些熱解碳是由1納米左右的彎曲的石墨片隨機(jī)排布組合而成。研究者在掃描電鏡中對(duì)這些熱解碳進(jìn)行了原位壓縮和拉伸測(cè)試，結(jié)果表明：這些熱解碳的平均拉伸強(qiáng)度達(dá)到1.6 GPa；而壓縮強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的尺度效應(yīng)，隨著直徑的減小，熱解碳的強(qiáng)度呈現(xiàn)出冪指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)（圖1a）。當(dāng)直徑小于2.3微米時(shí)，熱解碳的強(qiáng)度高達(dá)13.7 GPa，達(dá)到材料的理論極限強(qiáng)度，符合早先的理論預(yù)測(cè)。其彈性極限達(dá)到20-30%，這意味著當(dāng)材料壓縮20-30%之后進(jìn)行卸載，材料能夠幾乎完全恢復(fù)（圖1b）。

更為奇妙的是，熱解碳在宏觀尺度上表現(xiàn)為脆性，而在微納米尺度上，這些微納米熱解碳柱能夠承受50%的壓縮應(yīng)變而不出現(xiàn)明顯的破壞，并展示出類橡膠的力學(xué)行為（圖1c和1d）。

此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，這些微納米熱解碳的密度僅有1.4 g/cm3。因此，這些熱解碳的最大比壓縮強(qiáng)度達(dá)到9.79GPa cm3/g，超過(guò)了多晶金剛石（被認(rèn)為是具有最高比強(qiáng)度的塊體材料）的比壓縮強(qiáng)度。由于這些微納米熱解碳同時(shí)具有低的密度和超高的強(qiáng)度，因此克服了材料低密度和高強(qiáng)度的互斥，在強(qiáng)度-密度的Ashby圖中落在了材料性能的極限區(qū)域（圖2a）。這些微納米熱解碳同時(shí)具有超高的強(qiáng)度/比強(qiáng)度和較大的斷裂應(yīng)變，在一定程度上克服了材料高強(qiáng)度與高韌性的矛盾，從而占據(jù)了在比強(qiáng)度-斷裂應(yīng)變的Ashby設(shè)計(jì)圖中右上角的空白區(qū)域（圖2b）。

圖2. 微納米熱解碳的力學(xué)性能：（a）強(qiáng)度-密度的Ashby圖；（b）比強(qiáng)度-斷裂應(yīng)變的Ashby圖。

研究者同時(shí)進(jìn)行了大規(guī)模的原子尺度模擬，揭示了材料變形和破壞的微觀機(jī)理，以及材料的力學(xué)性能與微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，研究者首先構(gòu)建了與實(shí)驗(yàn)樣品微結(jié)構(gòu)一致的原子模型，然后對(duì)其進(jìn)行了單向壓縮和拉伸的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：微納米熱解碳的壓縮變形主要是由石墨烯的滑移和剪切以及整體結(jié)構(gòu)的密實(shí)化主導(dǎo)（圖3a），而拉伸變形主要是由納米孔洞的形核和長(zhǎng)大或初始微裂紋缺陷的擴(kuò)展主導(dǎo)（圖2b）。原子尺度模擬揭示了微納米熱解碳優(yōu)異的力學(xué)性能主要?dú)w因于微納米熱解碳的微結(jié)構(gòu)。

圖3. 微納米熱解碳變形和破壞的分子動(dòng)力學(xué)模擬：（a）壓縮比變形；（b）拉伸變形。

近年來(lái)，李曉雁副教授課題組主要從事新型微納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)、制備和力學(xué)行為研究，在相關(guān)領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要的成果。相關(guān)工作發(fā)表在《自然材料》（Nature Materials）《自然通訊》（Nature Communications）《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）以及《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)-納米材料》（ACS Nano）等期刊上。

論文共同第一作者為清華大學(xué)航天航空學(xué)院張璇博士、2015級(jí)博士生鐘磊和加州理工學(xué)院博士生Arturo Mateos，清華大學(xué)為論文第一單位。論文共同通訊作者為清華大學(xué)李曉雁長(zhǎng)聘副教授、布朗大學(xué)高華健教授和加州理工學(xué)院Julia R. Greer教授。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和科技部青年973項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。