西安交通大学刘益伦/浙江大学高超团队AM：基于多尺度节点增强的抗疲劳石墨烯气凝胶

背景介绍

轻质多孔的石墨烯气凝胶因其出色的断裂强度和韧性，在电子设备、微波屏蔽以及环境治理等多个领域展现出了广泛的应用前景。在循环载荷下保持结构完整性的能力，即出色的抗疲劳能力，是其实际应用的关键要求和紧迫挑战。然而，传统蜂窝状石墨烯气凝胶在循环载荷下常常表现出强度和抗疲劳性能的显著衰减，导致结构完整性受损。为了提升这类材料的力学性能，目前的主要策略包括引入交联成分和优化多孔结构，以降低胞壁的应力集中现象。但由于缺乏对石墨烯气凝胶潜在失效机理的清晰认识，其抗疲劳性能的提高一直受到限制。因此，阐明该材料微结构变形和失效机理，设计具有高抗疲劳性能的石墨烯气凝胶是亟待解决的关键科学问题。

成果介绍

近日，西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队与浙江大学高分子科学与工程系高超教授团队结合数值模拟和实验验证方法，提出了一种石墨烯气凝胶的多尺度节点增强策略，可有效抑制该材料多孔微结构的节点失效，实现了石墨烯气凝胶抗疲劳性能的数量级提升。相关研究成果以“Anti-fatigue Cellular Graphene Aerogel through Multiscale Joint Strengthening”为题发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上。

研究内容及方法

作者首先测试了由冷冻干燥法制备的蜂窝状石墨烯气凝胶的抗疲劳性能。测试结果表明该材料表现出典型的疲劳失效行为，在经历10次循环加载后其强度衰减高达10%、塑性变形高达22%。进一步对该材料的微米多孔结构进行了分析和表征。在微米多孔结构上，SEM结果显示蜂窝状石墨烯气凝胶在循环载荷下发生了显著的节点失效行为，最终导致其产生永久性损伤，如图一所示。

图一. 蜂窝状石墨烯气凝胶的节点失效行为。

为了解决这一问题，作者提出了节点交链与节点曲率化的多尺度节点增强策略，分别通过增强层间相互作用和降低循环加载过程中的层间应力，有效降低石墨烯气凝胶的强度衰减和塑性变形，显著提高其抗疲劳性能。测试结果表明，基于该优化设计策略所制备的石墨烯气凝胶的强度衰减在10⁴循环载荷后小于15%，且塑性变形小于1%，抗疲劳性能较其它轻质气凝胶材料提升明显，如图二所示。

图二. 石墨烯气凝胶抗疲劳增强策略：节点交链和节点曲率化。

为了揭示石墨烯气凝胶微结构的变形和失效机理，作者首先采用分子动力学分析了该材料胞壁的面内/层间各向异性力学行为，如图三所示。进一步将提取到的各向异性力学参数代入到有限元方法中，分析蜂窝状石墨烯气凝胶多孔微结构的变形和失效行为。模拟结果表明，胞壁的面内/层间各向异性导致了蜂窝多孔微结构的层间应力集中于节点区域，且胞壁层间弱界面对层间载荷敏感，故层间失效主导了蜂窝状结构的节点破坏，如图四所示。为此，作者进一步设计了双曲面和三周期极小曲面微结构，发现在提高石墨烯气凝胶抗疲劳性能的同时，其强度较蜂窝多孔微结构提高了10倍以上，如图五所示。

图三. 多层堆垛石墨烯的面内层间高度各向异性。

图四. 蜂窝结构石墨烯气凝胶节点处的层间失效机理。

图五. 石墨烯气凝胶节点曲率化设计。

致谢：该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省科学技术协会青年人才计划等资助。西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队长期招收研究生和博士后，诚邀国内外优秀青年教师加入团队共同进步，欢迎有意者联系。