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日前弹簧弹力 示意图，中国农业大学余书红教授团队成功研发出兼顾高压缩性和拉伸性的超弹性全碳微孔材料。 研究人员称其为“碳弹簧”。
微孔碳材料由于其广泛的应用，至今仍是材料科学领域的研究热点。 在实际应用中，机械柔韧性是决定结构稳定性和耐久性的关键因素。 经过近六年的大量研究，微孔碳材料的压缩延展性问题得到了很好的解决，并成功制备出多种高压缩弹性微孔碳材料。 然而，由于三维微孔碳网络之间的连接非常脆弱，如何开发具有可逆拉伸性的微孔碳材料仍然是一个很大的挑战。
日前，中国农业大学余书红教授团队成功研发出兼顾高压缩性和拉伸性的超弹性全碳微孔材料。 研究人员称其为“碳弹簧”。 其独特的微观结构和性能使其成为制造智能振动和磁传感器元件的理想材料，所获得的传感器元件甚至可以在极端气温环境（-100至350°C）下有效发挥作用。 该研究成果以《》为题发表。 中国科学技术大学副研究员高怀玲和博士生王泽宇、崔晨为该论文的共同第一作者。
此前，该团队的研究人员受到人类“足弓”宏观弹性足弓结构的启发，利用其单向冰模板技术，成功打造出由微孔有序堆叠组成的全碳微孔。拱形结构单元。 材料，实现高压缩性和超弹性（Nat..2016, 7, 12920）。 最近，他们又从“弓”的弹性变形机制中得到灵感。 通过深入研究，他们表明，引入这些奇特的长程有序层状微拱结构，不仅可以解决微孔碳材料的压缩延展性问题，还可以有效解决其拉伸延展性问题。 基于此，研究人员成功研制出这些“碳弹簧”，可以在-60%到80%的大应变范围内实现可逆拉伸和压缩变形，并能充分回弹，类似于真正的金属弹簧，这些弹性特性使其与众不同来自几乎所有最初报道的微孔碳材料（图 1）。 据悉弹簧弹力 示意图，研究人员通过结合原位扫描电镜观察和有限元模拟，否定了其弹性变形机制。
图1 碳弹簧制备工艺及其微观组织和力学性能示意图
鉴于碳弹簧独特的变形机制和力学性能，以及良好的导电性，研究人员将其作为关键部件，成功研制出可测量微小振动的应变传感器元件。 其应变测量极限至少为±0.5%，可测量的最高振动频率至少为，能够灵敏响应多种复杂的振动模式，包括模拟洪水波振动（图2a-f）。 据悉，研究人员通过预先将Fe3O4纳米粒子共组装到材料框架中，获得了一种可以由磁场驱动的磁性碳弹簧。 磁性碳弹簧也可以作为关键部件，从而产生一种新型的磁性传感器元件。 结果表明，磁传感器可以灵敏地检测小至 0.4 mT 的微小磁场（图 2g-k）。 令人印象深刻的是，两种传感器元件都可以在-100°C至350°C的极端温度环境中稳定工作。 这些独特的优势使其有可能应用于外层空间探测任务。
图2 碳弹簧在智能振动和磁敏元件中的应用
该工作为构建新型智能振动和磁传感提供了一条有效途径，并为借助其他无机组分为极端应用创造高度可扩展的微孔材料提供了新策略。
该研究得到国家自然科学基金创新研究群体捐赠项目、国家自然科学基金、中国科学院前沿重点项目、中央高校基础科学研究业务专项资金、安徽省高校协同创新项目，中国科学技术大学同步辐射联合基金。 捐。
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