具有超高拉伸弹性的石墨烯气凝胶

近日，青岛科技大学高分子学院张建明教授团队等在材料领域知名期刊《Materials Horizons》（影响因子15.717，中科院分区材料1区）发表了题为“Ultra-stretchable graphene aerogels at ultralowtemperatures”的研究论文（DOI: 10.1039/d3mh00014a）。高分子学院硕士研究生杨国徽和张晓方副教授为共同第一作者，杨洪生副教授和宗鲁副教授为共同通讯作者。

石墨烯气凝胶具有多孔且稳定的交联网络，表现出了许多特殊的力学性能，如超高可逆压缩形变(99%应变)、在极端温度(4 K - 1273 K)下，具有优异的疲劳耐久性(100万次压缩)和机械稳定性。独特的机械性能加上多功能性，使石墨烯气凝胶比聚合物基功能材料更有希望应对极端恶劣环境。近几年，张建明教授团队在石墨烯气凝胶规模化制备和高性能化方向取得了一系列成果，包括：常压干燥法制备高压缩弹性石墨烯气凝胶（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 19268.），气泡模板法制备大尺寸高压缩弹性石墨烯气凝胶（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 1303.），胶乳复合策略制备结构稳定的石墨烯气凝胶（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 1378.），石墨烯/ZIF-8杂化气凝胶（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 827.），高效光热产水石墨烯/PVA复合凝胶（ACS Nano 2021, 15, 12, 19877–19887），超快热还原石墨烯气凝胶（Chem. Commun., 2022,58, 13349-13352）等。然而，与传统橡胶或水凝胶相比，目前石墨烯气凝胶的可逆拉伸应变(最大200%)仍然非常低，极大限制了该类材料的应用。众所周知，高卷曲的高分子交联网络赋予了聚合物超高的拉伸弹性。然而，利用陶瓷或碳材料等无机材料来构建上述结构并实现这种拉伸性能是非常具有挑战性的。这项工作中，通过简单的两步方法，开发了具有高度卷曲交联网络的超拉伸石墨烯气凝胶，实现了前所未有的-95%到400%的可逆伸长率。首先，通过气泡模板辅助方法组装直径为数百微米的交联球形石墨烯纳米壳。然后，采用压缩-退火法对球形纳米壳进行进一步的卷曲和固定。皱缩的石墨烯结构虽然可以固定，但高温退火后由于高压缩产生的许多新界面也会被焊接，就像橡胶过度交联一样，拉伸弹性很差。通过对石墨烯表面含氧基团和卷曲度的精确控制，很好地解决了这一矛盾。结果表明，当退火温度为300℃，预应变为80%时，石墨烯纳米壳形成强面内相互作用和弱界面相互作用，使高度卷曲的结构不仅可以被固定，而且可以通过拉伸重新回到球形状态。通过有限元模拟，确定了压缩和拉伸过程的变形机理。制备的超高拉伸弹性石墨烯气凝胶在-196.5℃至300℃范围内表现出类似橡胶的优异弹性。这种泊松比接近于零的导电气凝胶具有典型的低应变高灵敏度(< 50%)和大应变下特有的超低灵敏度(50% ~ 400%)。结果表明，这种新型可拉伸导电材料，可作为稳定的超可拉伸导体应用于极端低温环境，在航天探测领域具有极好的应用前景。

图1、超拉伸石墨烯气凝胶制备过程。

图2、超拉伸石墨烯气凝胶的应变-电阻响应特性和低温应用展示。

该工作得到了国家自然科学基金（52202039, 51903134）、山东省自然科学基金（ZR2022QB022）、橡塑材料与工程教育部重点实验室开放课题（KF2020009）等项目的资助。文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00014a

来源：青岛科技大学

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