轻质强效气凝胶有许多应用，但它们在关键机械性能之间存在权衡问题，并且实现同时具有高强度和优异结构恢复的超弹性气凝胶仍然具有挑战性。在此，一种解决这一问题的策略是设计一种由柔性-刚性核壳结构组成的基于碳纳米管（CNT）的气凝胶，该气凝胶实现了超弹性（90％完全恢复）、高强度（提出了在 90% 应变下超过 12 MPa）和宽可调性（在 50% 应变下从 101 kPa 到 4.5 MPa）。研究发现，外部刚性但脆性的无定形碳壳在第一次压缩循环中交联CNT核并破裂成有序分布的片段，而柔性CNT核确保了整体骨架的完整性和对大变形的耐受性。这种设计的碳纳米管复合海绵表现出比之前报道的泡沫/气凝胶更优越的机械性能，并且由于这种独特的裂纹诱导超弹性机制，诸如具有宽范围定制灵敏度的压力传感器和高性能能量吸收器等潜在应用已经被开发出来。这种柔性-刚性核壳协同作用可以为可调节的高强度气凝胶设计和创新应用提供进一步的见解。
 
Fig 1. 内柔性@外刚性3D多孔网络（CNT@AC）的合成和结构表征。 a) CNT@AC复合海绵的制备过程示意图; b) SEM 和 d) CNT@PR 的 TEM 图像； c) 复合海绵的 FTIR； e-h) CNT@AC的SEM图像、HRTEM图像和选区电子衍射图(SAED)； i) CNT、CNT@PR 和 CNT@AC 在 80% 应变压缩 10 次循环后的机械性能比较。
 
Fig 2. AC层开裂引起的CNT@AC复合海绵的超弹性和结构演化。 a) CNT@AC在第一和第二次循环中的典型压缩应力应变曲线； b) 50%压缩后CNT@AC的SEM图像。白色箭头表示压缩后外壳的裂纹。黄色椭圆表示CNT@AC复合海绵中的交联点； c) CNT@AC在80%应变下的原位SEM图像； d) 开裂程度与所经历的最大应变之间的关系。 e）由于结构演化而产生的CNT@AC超弹性机制，其中外部连续AC层在压缩释放测试后破裂成有序排列的较短片段。
 
Fig 3. CNT@AC 具有长周期特性、高强度和宽范围的可调性。 a) CNT@AC在50%应变下5000次循环的应力-应变曲线； b) CNT@AC在50%应变下循环5000次后的塑性变形、应力减少和能量损失系数； c) 5000 次 50% 应变压缩循环后 CNT@AC 的 SEM； d）CNT@AC在30%应变下10000次循环的应力应变曲线； e) CNT@AC动态力学测试，加载频率从0.1 Hz到100 Hz扫描； f) CNT@AC 的广泛可调和高强度压缩响应。这里选择第二个压缩周期进行绘图； g) CNT@AC在90%极限应变下的应力-应变曲线； h) 物理性质（直径、密度）随前体浓度变化； i) CNT@AC 在不同应变下的抗压强度总结。
 
Fig 4. 与其他碳基、金属基、陶瓷基和聚合物基多孔材料以及超材料的综合比较（微观结构、强度、模量、恢复）。 a）已报道的超弹性材料的三种典型微观结构以及本工作中设计的结构； b-c) 杨氏模量、屈服强度与CNT@AC表观密度之间的比例关系； d) Ashby 图绘制了 CNT@AC 和其他先前报道的超弹性材料在不同应变下的强度； e) CNT@AC 的强度和恢复能力之间的比较CNT@AC等多孔材料。碳基， 陶瓷基，聚合物基气凝胶，和超材料（纳米晶格、微晶格）]被选择。
 
Fig 5. 潜在应用为具有可调灵敏度和增强机械能吸收的宽范围应力传感器。 a) 归一化电流信号 ΔI/I₀ 与压应力的关系； b) CNT@AC在20%、50%和70%应变下的电流信号变化； c) 100个压缩循环期间的归一化电流信号ΔI/I₀； d）-100至400℃温度范围内的动态压缩性能； e) 超低温（液氮中）30%、60%时的电流信号； f–h) CNT@AC-3s与CNT、CNT@PR在80%应变下三个关键能量吸收性能的比较； i) 50%时CNT@AC的能量吸收能力与之前报道的吸收材料的比较。考虑到CNT@AC的能量吸收能力高于大多数气凝胶材料，因此选择了一些典型的晶格材料进行比较。
 
     相关研究工作由北京大学Anyuan Cao课题组于2023年在线发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，Crack-Induced Superelastic, Strength-Tunable Carbon Nanotube Sponges，原文：https://doi.org/10.1002/adfm.202303475。

转自《石墨烯研究》公众号