近日，青島科技大學(xué)高分子學(xué)院張建明教授團(tuán)隊(duì)等在材料領(lǐng)域知名期刊《Materials Horizons》（影響因子15.717，中科院分區(qū)材料1區(qū)）發(fā)表了題為“Ultra-stretchable graphene aerogels at ultralowtemperatures”的研究論文（DOI: 10.1039/d3mh00014a）。高分子學(xué)院碩士研究生楊國徽和張曉方副教授為共同第一作者，楊洪生副教授和宗魯副教授為共同通訊作者。

石墨烯氣凝膠具有多孔且穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出了許多特殊的力學(xué)性能，如超高可逆壓縮形變(99%應(yīng)變)、在極端溫度(4 K - 1273 K)下，具有優(yōu)異的疲勞耐久性(100萬次壓縮)和機(jī)械穩(wěn)定性。獨(dú)特的機(jī)械性能加上多功能性，使石墨烯氣凝膠比聚合物基功能材料更有希望應(yīng)對極端惡劣環(huán)境。近幾年，張建明教授團(tuán)隊(duì)在石墨烯氣凝膠規(guī)?；苽浜透咝阅芑较蛉〉昧艘幌盗谐晒?，包括：常壓干燥法制備高壓縮彈性石墨烯氣凝膠（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 19268.），氣泡模板法制備大尺寸高壓縮彈性石墨烯氣凝膠（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 1303.），膠乳復(fù)合策略制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的石墨烯氣凝膠（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 1378.），石墨烯/ZIF-8雜化氣凝膠（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 827.），高效光熱產(chǎn)水石墨烯/PVA復(fù)合凝膠（ACS Nano 2021, 15, 12, 19877–19887），超快熱還原石墨烯氣凝膠（Chem. Commun., 2022,58, 13349-13352）等。然而，與傳統(tǒng)橡膠或水凝膠相比，目前石墨烯氣凝膠的可逆拉伸應(yīng)變(最大200%)仍然非常低，極大限制了該類材料的應(yīng)用。眾所周知，高卷曲的高分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)賦予了聚合物超高的拉伸彈性。然而，利用陶瓷或碳材料等無機(jī)材料來構(gòu)建上述結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)這種拉伸性能是非常具有挑戰(zhàn)性的。這項(xiàng)工作中，通過簡單的兩步方法，開發(fā)了具有高度卷曲交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的超拉伸石墨烯氣凝膠，實(shí)現(xiàn)了前所未有的-95%到400%的可逆伸長率。首先，通過氣泡模板輔助方法組裝直徑為數(shù)百微米的交聯(lián)球形石墨烯納米殼。然后，采用壓縮-退火法對球形納米殼進(jìn)行進(jìn)一步的卷曲和固定。皺縮的石墨烯結(jié)構(gòu)雖然可以固定，但高溫退火后由于高壓縮產(chǎn)生的許多新界面也會被焊接，就像橡膠過度交聯(lián)一樣，拉伸彈性很差。通過對石墨烯表面含氧基團(tuán)和卷曲度的精確控制，很好地解決了這一矛盾。結(jié)果表明，當(dāng)退火溫度為300℃，預(yù)應(yīng)變?yōu)?0%時，石墨烯納米殼形成強(qiáng)面內(nèi)相互作用和弱界面相互作用，使高度卷曲的結(jié)構(gòu)不僅可以被固定，而且可以通過拉伸重新回到球形狀態(tài)。通過有限元模擬，確定了壓縮和拉伸過程的變形機(jī)理。制備的超高拉伸彈性石墨烯氣凝膠在-196.5℃至300℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出類似橡膠的優(yōu)異彈性。這種泊松比接近于零的導(dǎo)電氣凝膠具有典型的低應(yīng)變高靈敏度(< 50%)和大應(yīng)變下特有的超低靈敏度(50% ~ 400%)。結(jié)果表明，這種新型可拉伸導(dǎo)電材料，可作為穩(wěn)定的超可拉伸導(dǎo)體應(yīng)用于極端低溫環(huán)境，在航天探測領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景。

圖1、超拉伸石墨烯氣凝膠制備過程。

圖2、超拉伸石墨烯氣凝膠的應(yīng)變-電阻響應(yīng)特性和低溫應(yīng)用展示。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金（52202039, 51903134）、山東省自然科學(xué)基金（ZR2022QB022）、橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（KF2020009）等項(xiàng)目的資助。文章鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00014a

來源：青島科技大學(xué)

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