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具有超弹性和抗疲劳性的轻质可压缩材料是航空航天、机械缓冲、能量阻尼和软机器人等各个领域的迫切需求。尽管已开发出各种热稳定的轻质金属和陶瓷泡沫，但它们通常具有较小的可逆压缩性；碳纳米管和石墨烯固有的超弹性和热机械稳定性，已被用作制备轻质和超弹性材料的基础材料，但复杂的设备及制备过程将其尺寸限制在毫米级。生物材料具有数亿年的进化历史形成复杂的层次结构和出色的机械性能，引起了科学家们的广泛关注，但由于它们纯有机或有机/无机杂化结构，通常仅在狭窄的温度范围内起作用。因此，能够在很宽的温度范围内工作的超弹性和抗疲劳材料是各种应用的理想之选。近期，中科大俞书宏院士团队将生物材料细菌纤维素（BC）转化为具有高热机械稳定性的碳纳米纤维气凝胶（CNFA），完美地继承了细菌纤维素从宏观到微观的层次结构，不仅表现出显著的机械性能，而且从100到500°C的宽温度范围内都具有出色的超弹性和抗疲劳性。该气凝胶具有优于聚合物泡沫、金属泡沫和陶瓷泡沫的独特优势，并实现了可扩展的合成和生物材料的经济优势。如图1所示，研究人员通过用无机盐改造BC的热解法，将BC水凝胶用NH4H2PO4溶液浸泡；然后冷冻干燥以形成浸渍的BC气凝胶；最后，将复合气凝胶在800-1200℃下碳化，实现BC形态保留的碳化，从而制备了从宏观到微观尺度完美继承BC层次结构的CNFA。如图2所示，一块尺寸为1.6×1.2×0.7 cm3的CNFA可以稳定地站立在一颗四叶草的顶部；一块尺寸为6.2×4.0×1.0 cm3的CNFA仅重0.14 g，证明了CNFA的超轻特性。此外，CNFA的尺寸和数量还能够通过使用大型BC前体和热解炉按需进行制备。为了评估CNFA的机械性能，研究人员测量了其压缩应力与应变的关系。结果如图3a、4所示，由于其高孔隙率，CNFA能够被压缩90％，并可以完全恢复。此外，CNFA还能够在400 mm min-1的高速下完全恢复其原始形状。随后，研究人员在不同的压缩应变下进一步测试CNFA的抗疲劳性。如图3b所示，即使在200万次循环后，CNFA仍能维持超过99％的最大应力，其抗疲劳性远远超过了商用三聚氰胺、可膨胀聚乙烯泡沫及石墨烯和CNT制成的气凝胶/泡沫/海绵，表明从天然BC继承的碳纳米纤维微结构的结构坚固性，并具有出色的可压缩性和抗疲劳性。研究人员进行了动态力学性能分析（DMA），以表征CNFA在-100-500°C的宽温度范围内的热机械稳定性。压缩应力与应变曲线如图5a–c所示，CNFA均能够完全恢复其原始形状，表明CNFA在此温度范围内具有超弹性，而且不同温度下的压缩曲线形状相似，表明了CNFA优异的热机械稳定性。研究人员在空气气氛中对CNFA和市售聚合物泡沫进行了TG和DMA测量，以评估其在大气环境中的可用性。结果如图6所示，CNFA可以在空气中保持稳定直至500°C，而所有市售的聚合物泡沫在300°C以下都会开始分解。此外，CNFA可以在250°C下应变ε=20-80％时完全恢复原始形状（图5c）；图5d显示了在250°C下CNFA的储能模量、损耗模量和阻尼比在1×105个循环中几乎保持不变，表明CNFA在空气环境下的超弹性和抗疲劳性能。本篇文章中，研究人员通过用无机盐工程改造BC的热解化学以实现大规模合成碳纳米纤维气凝胶（CNFA），实现了形态保留的碳化过程。CNFA凭借出色的热机械性能、超弹性和抗疲劳性，在多种应用中具有许多潜力，尤其是对于那些需要在宽温度范围内稳定运行的应用。我们相信这项技术有望在机械缓冲、压力传感器和航空航天中的太阳能吸收器等领域得到广泛应用！https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904331---纳米纤维素找北方世纪---
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来源：高分子科学前沿
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