多孔碳材料由於具有低密度、高導電性、機械柔韌性和在極端環境中的穩定性而展現出廣泛的應用，如感測器，致動器和能量轉換材料。尤其是機械柔韌性對決定其在實際應用中的耐久性和可靠性具有重要意義。過去幾十年中大量研究致力於製備高效能多孔碳材料，主要集中在應用具有優異固有特性的成分和設計獨特的層次結構。因此，壓縮脆性得到了很好的解決，並開發了各種具有令人印象深刻的超壓縮性和超彈性的先進碳單塊。與壓縮彈性相比，可逆拉伸性同樣重要，尤其是在某些振動應用條件下。

然而，到目前為止，很少有報道製造高度可拉伸的多孔碳單塊。因此，創造兼具高壓縮性和拉伸性的彈性多孔碳材料是一項巨大的挑戰。

鑑於此，

中國科學技術大學

俞書宏院士

團隊製備了

一種高度可壓縮和可拉伸的多孔全碳材料

。

當引入獨特的長程層狀多拱結構時，

可以在-80%至80%的大應變下實現彈性壓縮性和拉伸性。

令人印象深刻的是，

多孔全碳材料在迴圈壓縮-拉伸過程的載入條件下可以保持可靠的結構堅固性和耐久性，類似於真正的金屬彈簧

。獨特的效能使其成為製造智慧振動和磁性感測器的有前途的平臺，甚至能夠在極端溫度下執行。這項研究為從其他純無機成分中創造高度可拉伸和可壓縮的多孔材料提供了寶貴的見解，以用於未來的各種應用。相關工作以“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring for Smart Vibration and Magnetism Sensors”為題發表在國際頂級期刊《

Advanced Materials

》上。

多孔碳材料的製備及機械效能

為了獲得碳彈簧，首先透過

雙向冷凍方法

製備了由殼聚糖（CS）和氧化石墨烯（GO）組成的遠端層狀支架（

圖1

）。在冷凍過程中，在CS-GO分散體中形成並平行生長的層狀冰晶。不斷增長的層狀冰晶將成分推入它們的介面，形成最終的層狀支架。高解析度掃描電子顯微鏡（HRSEM）和透射電子顯微鏡（HRTEM）影象顯示薄片由嵌入無定形碳中的皺巴巴的石墨烯形成複合結構。

所製備的多孔碳材料的密度測量為約11mg cm-3，對應於約99.4%的孔隙率。

具有長程片狀結構的碳彈簧顯示出較大的彈性拉伸性，破壞前的最大拉伸應變甚至為-80%。

典型的碳彈簧可以在80%的壓縮應變和-60%的拉伸應變下沿垂直於其薄片的方向彈回其原始形狀，而不會出現明顯的結構損壞。

這種彈性行為類似於真正的金屬彈簧。動態熱機械分析進一步證實了碳彈簧保持相對穩定的彈性效能和優異的耐疲勞性。此外，作者透過有限元模擬證實，大的面外變形和彈性恢復是碳彈簧可逆壓縮性和可逆拉伸性的機制（

圖2

）。

圖1多孔碳材料的製備及機械效能

圖2碳彈簧的大可逆拉伸性的機制

碳彈簧感測器的感測效能

可逆拉伸和壓縮過程的獨特變形機制與優異的抗疲勞性和良好的導電性相結合，使碳彈簧成為製造用於振動檢測的應變感測器的有前途的平臺。相鄰薄片之間的接觸點在拉伸過程中會減少，並在壓縮過程中增加。這些過程導致基於碳彈簧的應變感測器的電導率發生響應變化。電阻變化（ΔR/R）值隨著所施加應變的變化幾乎呈線性下降，範圍從-20%到20%，檢測限至少為應變的±0。5%。這意味著導電網路中的接觸點在此過程中幾乎均勻地變化。值得注意的是，發現其靈敏度從-60%急劇下降到60%，也可以獲得穩定的電訊號。此過程中靈敏度絕對值的下降歸因於壓縮過程中應力幾乎呈指數增長。應變感測器對迴圈壓縮-拉伸過程的響應表明，經過幾百個迴圈後，ΔR/R逐漸變得穩定。作者進一步研究了

感測器在極端溫度環境中（-100°C到350°C）的感測效能。結果表明，基於碳彈簧應變感測器具有在廣泛的工作溫度範圍內應用的極大優勢

。

圖3碳彈簧的應變感測器的感測效能

另外，研究人員還透過將Fe3O4奈米粒子（NPs）結合到碳彈簧框架中製成了磁力執行器。摻入的Fe3O4NPs均勻分散在所得複合氣凝膠的薄片中，並在退火過程後保持其初始形態。

獲得的複合氣凝膠保持了獨特的長程層狀多拱微觀結構以及-60％至80％的大應變下的彈性壓縮性和拉伸性。

樣品以拉伸和彎曲變形的方式顯示出優異的磁場誘導驅動，並且在移除磁鐵後可以快速恢復到其初始狀態。

磁感測器展示了在極端溫度環境中（範圍從-150°C到350°C）有效執行的能力

。在較高溫度條件下的磁感測效能優於較低溫度條件下，但在極低溫度（-150°C）下仍顯示出高靈敏度。磁感測器這種高靈敏度和出色的穩定性，使其能夠在許多不利的溫度條件下檢測和響應外部磁場，甚至可以安全地滿足火星上的要求。

圖4碳彈簧的磁感測器的感測效能

小結

：作者設計了一種獨特的長程層狀多拱微結構，可以有效避免多孔碳基整料的壓縮脆性和拉伸脆性，從而產生一種真正的彈簧狀碳材料。這項工作代表了多孔碳材料在大應變（從-80%到80%）下實現彈性壓縮性和拉伸性的首次實現，為從其他純無機成分設計高度可拉伸和可壓縮多孔材料的可能性提供了啟示。獨特的機械效能以及良好的導電性和易於功能化使碳彈簧成為製作高效能接觸式振動感測器和非接觸式磁感測器的良好平臺。此外，這兩種感測器都能夠在極端溫度環境下工作，可以滿足太空探索等許多特殊任務的要求。

全文連結：

https：//onlinelibrary。wiley。com/doi/10。1002/adma。202102724

本文來源：高分子科學前沿