【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】具有超彈性和抗疲勞性的輕質(zhì)可壓縮材料，尤其是其中適應(yīng)廣闊溫度范圍的材料，是航空航天、機(jī)械緩沖、能量阻尼和軟機(jī)器人等領(lǐng)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(fù)使用時(shí)往往易疲勞，并在聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變和熔融溫度附近發(fā)生超彈性退化。
 

　　聚合物的定義是通過連接許多較小的分子形成長鏈，稱為單體 。雖然紙鏈呈現(xiàn)聚合物的簡單圖像，但在實(shí)際應(yīng)用中，聚合物具有更多的用途。它們構(gòu)成了日常生活中使用的許多物品的組成部分：塑料容器，尼龍制品，橡膠輪胎等等。
 

　　盡管研究者已經(jīng)開發(fā)出各種熱穩(wěn)定的輕質(zhì)金屬和陶瓷泡沫材料，但它們通常都只具有小的可逆壓縮性，并且在循環(huán)變形下表現(xiàn)出疲勞。碳納米管和石墨烯因其具有固有的超彈性和熱機(jī)械穩(wěn)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(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了這類材料的優(yōu)異性能，但這些工作所涉及的復(fù)雜設(shè)備和制備過程使其只能制備毫米級(jí)尺寸的材料。另一方面，自然中從幾億年進(jìn)化而來的復(fù)雜層次結(jié)構(gòu)生物材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能而備受關(guān)注，然而由于它們是純有機(jī)或有機(jī)/無機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，通常只適合很窄的溫度范圍內(nèi)工作。因此，將這些非熱穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)生物材料轉(zhuǎn)化為具有固有層次結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定石墨材料，有望創(chuàng)造出熱力學(xué)穩(wěn)定的材料。
 

　　碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。
 

　　碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20 nm。并且根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。
 

　　近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏團(tuán)隊(duì)和梁海偉課題組報(bào)道了一種通過熱解化學(xué)控制，將結(jié)構(gòu)生物材料(BC，即細(xì)菌纖維素)熱轉(zhuǎn)化為石墨碳納米纖維氣凝膠(CNFAs)的方法。其制備的碳?xì)饽z完美地繼承了細(xì)菌纖維素從宏觀到微觀的層次結(jié)構(gòu)，具有顯著的熱機(jī)械性能。特別是在經(jīng)歷2×106次壓縮循環(huán)后仍能保持超彈性而不發(fā)生塑性變形，在至少-100~500℃的大范圍溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)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(jī)械穩(wěn)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(dú)特的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模合成，并具有生物材料的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
 

　　據(jù)介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對有機(jī)溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報(bào)道的有吸油力的材料?，F(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，可達(dá)900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機(jī)物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機(jī)物。這讓人想到用它來處理海上的漏油，“可以把它們?nèi)鲈诤Ｃ嫔希湍馨崖┯脱杆俚匚者M(jìn)來，因?yàn)橛袕椥?，吸的油能夠被壓出來回收利用?lsquo;碳海綿’也可以重新使用。”科研人員表示。
 

　　該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種利用無機(jī)鹽對細(xì)菌纖維素(BC)進(jìn)行熱解化學(xué)調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模合成、形態(tài)保留的碳化新工藝，研制的碳納米纖維氣凝膠較好地繼承了細(xì)菌纖維素從宏觀到微觀的層次結(jié)構(gòu)，在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的不隨溫度改變的超彈性和抗疲勞性能。
 

　　細(xì)菌纖維素和植物或海藻產(chǎn)生的天然纖維素具有相同的分子結(jié)構(gòu)單元, 但細(xì)菌纖維素纖維卻有許多獨(dú)特的性質(zhì)。
 

　?、偌?xì)菌纖維素與植物纖維素相比無木質(zhì)素、果膠和半纖維素等伴生產(chǎn)物，具有高結(jié)晶度(可達(dá)95%，植物纖維素的為65%)和高的聚合度(DP值2 000～8 000)；
 

　?、诔?xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。細(xì)菌纖維素纖維是由直徑3～4 納米的微纖組合成40～60 納米粗的纖維束，并相互交織形成發(fā)達(dá)的超精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
 

　?、奂?xì)菌纖維素的彈性模量為一般植物纖維的數(shù)倍至十倍以上，并且抗張強(qiáng)度高；
 

　?、芗?xì)菌纖維素有很強(qiáng)的持水能力 (water retention values, WRV)。未經(jīng)干燥的細(xì)菌纖維素的WRV值高達(dá)1000% 以上，冷凍干燥后的持水能力仍超過600%。經(jīng)100℃干燥后的細(xì)菌纖維素在水中的再溶脹能力與棉短絨相當(dāng)；
 

　?、菁?xì)菌纖維素有較高的生物相容性、適應(yīng)性和良好的生物可降解性；
 

　　⑥細(xì)菌纖維素生物合成時(shí)的可調(diào)控性。
 

　　由于碳納米纖維氣凝膠具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定機(jī)械性能并可實(shí)現(xiàn)宏量制備，在諸多領(lǐng)域?qū)⒕哂兄匾膽?yīng)用前景，特別是適合條件下的機(jī)械緩沖、壓力傳感、能量阻尼及航天太陽能電池等。
 

　　資料來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、百科