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清华Nature子刊:超轻、高强韧热解碳材料次要进展
2019-07-17 11:05:10 | 【 【打印】【封闭】

  7月9日,清华大学航天航空学院李晓雁长聘副传讲课题组与美国布朗大学、加州理工大学互助,在《天然·纳米科技》(Nature Nanotechnology)颁发了题为“微米热解碳的理论强度与类橡胶变形行为”(Theoretical strength and rubber-like behavior in micro-sized pyrolytic carbon)的研究论文,标记着课题组在热解碳材料制备和力学表征方面取得次要进展。

  论文链接:

  https://www.nature.com/articles/s41565-019-0486-y

  对于布局材料而言,材料力学机能之间凡是具有必然的矛盾和互斥,如高强度与低密度互斥、高强度与大变形互斥、高强度与高韧性互斥等。这些力学机能之间的矛盾和互斥成为严峻限制布局材料成长的次要瓶颈。近几十年来,若何完成布局材料同时具有超轻、高强度、大变形等优异力学机能是当代材料设想和制造的一个复杂挑战,也是固体力学和材料科学范畴研究的热点问题。

  
"图1. 微纳米热解碳的原位电镜力学测试:(a)压缩强度随直径的变化;(b)原位压缩多周测试;
(c)微纳米热解碳典型的应力-应变曲线;(d)原位压缩时的电镜照片。

  在本项工作中,研究者将双光子光刻与高温热解技术相连系,经由节制试样尺寸、热解温度等次要参数,成功地制备了直径为几百纳米到十几微米的热解碳圆柱。经由高分辩率透射电镜、拉曼光谱以及电子能量丧失光谱等技术表征,发觉这些热解碳是由1纳米摆布的弯曲的石墨片随机排布组合而成。研究者在扫描电镜中对这些热解碳进行了原位压缩和拉伸测试,成果表白:这些热解碳的平均拉伸强度达到1.6 GPa;而压缩强度暗示出较着的尺度效应,跟着直径的减小,热解碳的强度出现出幂指数级的添加(图1a)。当直径小于2.3微米时,热解碳的强度高达13.7 GPa,达到材料的理论极限强度,合适新近的理论预测。其弹性极限达到20-30%,这意味着当材料压缩20-30%之后进行卸载,材料能够大概几乎完全恢复(图1b)。

  更为奇奥的是,热解碳在宏观尺度上暗示为脆性,而在微纳米尺度上,这些微纳米热解碳柱能够大概承受50%的压缩应变而不出现较着的粉碎,并展现出类橡胶的力学行为(图1c和1d)。

  此外,经由测验考试丈量,这些微纳米热解碳的密度仅有1.4 g/cm3。因而,这些热解碳的最大比压缩强度达到9.79GPa cm3/g,逾越了多晶金刚石(被认为是具有最高比强度的块体材料)的比压缩强度。由于这些微纳米热解碳同时具有低的密度和超高的强度,因而降服了材料低密度和高强度的互斥,在强度-密度的Ashby图中落在了材料机能的极限区域(图2a)。这些微纳米热解碳同时具有超高的强度/比强度和较大的断裂应变,在必然程度上降服了材料高强度与高韧性的矛盾,从而占领了在比强度-断裂应变的Ashby设想图中右上角的空白区域(图2b)。

  
" 图2. 微纳米热解碳的力学机能:(a)强度-密度的Ashby图;(b)比强度-断裂应变的Ashby图。

  研究者同时进行了大规模的原子尺度模仿,揭示了材料变形和粉碎的微观机理,以及材料的力学机能与微布局之间的联系干系。按照测验考试观测,研究者起首建立了与测验考试样品微布局分歧的原子模子,然后对其进行了单向压缩和拉伸的数值模仿。模仿成果表白:微纳米热解碳的压缩变形主如果由石墨烯的滑移和剪切以及全体布局的密实化主导(图3a),而拉伸变形主如果由纳米孔洞的形核和长大或初始微裂纹缺陷的扩展主导(图2b)。原子尺度模仿揭示了微纳米热解碳优异的力学机能次要归因于微纳米热解碳的微布局。

  
  

"
 图3. 微纳米热解碳变形和粉碎的分子动力学模仿:(a)压缩比变形;(b)拉伸变形。

  近年来,李晓雁副传讲课题组次要处置新型微纳米布局材料的设想、制备和力学行为研究,在相关范畴取患了多项次要的功能。相关工作颁发在《天然材料》(Nature Materials)《天然通信》(Nature Communications)《科学进展》(Science Advances)《前辈材料》(Advanced Materials)以及《美国化学学会-纳米材料》(ACS Nano)等期刊上。

  论文共同第一作者为清华大学航天航空学院张璇博士、2015级博士生钟磊和加州理工学院博士生Arturo Mateos,清华大学为论文第一单元。论文共同通信作者为清华大学李晓雁长聘副教授、布朗大学高华健教授和加州理工学院Julia R. Greer教授。该论文获患了国度天然科学基金和科技部青年973项方针经费支撑。

  文章文章地址:清华大学新闻网、新材料网

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