浙江大学《AM》：高刚度超弹性石墨烯气凝胶，用于运输和航空航天等

材料分析与应用 · 公众号 · · 2024-12-31 16:41

正文

1 成果简介

具有高刚度和出色可恢复性的轻质多孔材料在结构工程应用中至关重要，但这两种特性之间的内在冲突带来了重大挑战。 本文，浙江大学高超教授、高微微副教授及庞凯专职研究员团队在《 Advanced Materials》期刊 发表名为“ Ultra-Stiff yet Super-Elastic Graphene Aerogels by Topological Cellular Hierarchy ”的论文， 研究提出一种拓扑孔层级结构，制备出兼具超高刚度(杨氏模量>10 MPa)和超弹性(>90% 的压缩可回复应变)稳定的石墨烯气凝胶。

本工作所设计的拓扑孔多层级结构通过在蜂窝孔框架中采用三维空间受限发泡法引入大量连续的瓦楞孔和纳米壁。该结构可以将原本厚壁的脆性断裂变形模式转变为柔性薄壁的可逆屈曲弹性变形模式从而承受更高的负载且维持结构稳定。超薄纳米壁有利于在大应变下沿面外方向发生屈曲变形，从而提高力学性能可回复性。通过单胞实验和理论分析进一步证明了瓦楞孔的引入显著提高了承载能力，并有效分散了经典蜂窝孔壁连接处的应力集中。所制备的石墨烯气凝胶的压缩模量是传统石墨烯气凝胶的两倍，同时可以在60% 应变下实现10000 次疲劳压缩的稳定循环。这种高刚度且超弹性的石墨烯气凝胶具有优越的能量耗散和抗冲击疲劳性能，作为缓冲层制备的三明治树脂复材可以抵抗高速子弹的冲击 (约200 m·s-1)，在抗子弹冲击防护领域展现出巨大的应用潜力。

2 图文导读

图1. 基于拓扑孔多层级结构的超高刚度超弹性石墨烯气凝胶。

图2 、薄壁多孔材料中的弹性变形机理。

图3 、单个拓扑单元的机械行为。

图4、 TCGA 的机械性能。

图5、TCGA 的抗冲击和防弹性能。

3 小结

作者提出了一种拓扑孔层级结构的轻质气凝胶，实现了超刚度和超弹性。实验结果和模型验证验证了纳米壁的屈曲弹性和波纹孔的增强效应。制备出的 TCGA具有12兆帕的高刚度和90% 的优异可回收性，超过了之前报道的轻质碳基多孔材料。进一步证明，TCGA可作为高效缓冲层抵御100次以上的重复撞击，能量吸收效率稳定在约90%。TCGA还具有非凡的抗弹道性能，可阻挡高速射弹（200 m s-1），在工程防护材料方面具有巨大潜力。这种新的拓扑孔层级结构为开发高刚性和超弹性结构气凝胶提供了可能，从而满足了各种应用的实际需求。

文献：

https://doi.org/10.1002/adma.202417462