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陶瓷和石墨烯完美結合的超高性能輕質材料

2017-08-28 13:43:52 作者：本網整理來源：材料科技在線分享至：

上圖是一種新型的輕質、高強、阻燃和高彈性的超材料，這些優異的性能使其在各大領域中具有潛在的應用價值。

來自美國普渡大學的研究人員，與蘭州大學和哈爾濱工業大學的團隊，以及美國空軍研究實驗室的科學家們合作，他們認為將氧化鋁納米層和石墨烯結合在一起的超材料，可以應用于包括建筑和航空航天在內的多個行業。

普渡大學工業工程學院的副教授GaryCheng在一份聲明中表示：“這種材料甚至要比羽毛都輕，因為它具有極低的密度，同時還擁有著非常高的比強度。”

GaryCheng補充道：“如今陶瓷組件的優異性能已被應用于許許多多的領域之中，例如保溫材料、智能傳感器、電磁波吸收材料和防腐蝕涂層等。”

這種超材料內部具有蜂窩式微結構，能夠提供超強的彈性和結構魯棒性（結構魯棒性又可稱為結構整體性和牢固性，有時亦可稱為防止結構連續倒塌性。它是從從結構概念學角度對結構整體受力性能的一種闡釋，要求結構的構件能夠協調工作，連接要可靠，構成一個牢固的結構整體；結構魯棒性要求結構有多道防線，不致因某一構件的失效而造成結構性的破壞，要求結構即便發生局部破壞后也不至于引發大范圍的連續倒塌）。復合材料由夾在陶瓷層之間相互連接的石墨烯所組成。石墨烯支架又被稱為氣凝膠，它是用一種叫做原子層沉積的工藝與陶瓷層進行化學鍵合的。

GaryCheng說：“我們仔細控制了這種石墨烯氣凝膠的幾何形狀，并沉積了一層很薄的陶瓷層。值得一提的是，這種氣凝膠的機械性能具有多功能性，”他補充說，“這項研究有可能使石墨烯成為一種更加實用的功能性材料。”

一般石墨烯在高溫下會自動分解，但是陶瓷氧化鋁卻賦予了其高的耐熱性和阻燃性能，可以用作飛機的隔熱罩。然而陶瓷材料同樣會帶來一些不好的影響，抑制了他們作為功能性材料的應用。

GaryCheng說：“在這里，我們報告了一種多功能的陶瓷——石墨烯超材料，其微結構能夠提供超強的彈性和結構魯棒性，為了實現了這一點，我們通過組合多層彈性單元格，設計出了一種分層的蜂窩式微結構。這種超材料同時表現出一系列多功能的屬性，這在之前的陶瓷和陶瓷——基體復合結構中還沒有被報道過，”他補充說。

這種輕質、高強和極具減震性能的材料，有望使得復合材料成為柔性電子器件和大型應變傳感器的良好基材。它同時還具有很高的電導率，是一種極佳的絕熱材料，可用作阻燃、隔熱涂層以及將熱量轉換成電能的傳感器和設備。

該工藝可能會應用到大規模地工業制造中，未來可能會通過改變其晶體結構，或者擴大制造和控制微結構的工藝來優化材料的性能。

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責任編輯：殷鵬飛

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