碳材料按碳原子雜化軌道的不同大致可分為石墨碳、軟碳和硬碳。軟碳和硬碳主要用于描述聚合物熱解制備的碳材料，在熱解過(guò)程中，一些碳原子重構(gòu)成二維芳族石墨烯片，如果這些石墨烯片大致平行，在高溫下則容易石墨化，這種碳被稱為軟碳；如果這些石墨烯片隨機(jī)堆疊并通過(guò)邊緣碳原子交聯(lián)，高溫下不能石墨化，這種碳則稱為硬碳。通常來(lái)說(shuō)，石墨碳和軟碳具有高彈性，容易變形，但是強(qiáng)度較低；由于大量sp3-C引起的硬碳微觀上亂層“紙牌屋”結(jié)構(gòu)的存在，硬碳材料在機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，但是本征性質(zhì)較脆且易碎。如何將硬碳材料制備成超彈性塊材是目前面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。
最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏領(lǐng)導(dǎo)的課題組受自然界蜘蛛網(wǎng)同時(shí)具有高強(qiáng)度和彈性的啟發(fā)，巧妙通過(guò)模板法構(gòu)筑納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備了一系列具有納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的硬碳?xì)饽z。該系列氣凝膠具有超彈性、抗疲勞以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。研究論文以Superelastic hard carbon nanofiber aerogels 為題近期發(fā)表在《先進(jìn)材料》上（Advanced Materials 2019, 1900651），并被選為封底論文。論文的共同第一作者為中國(guó)科大博士后于志龍和博士生秦冰。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900651
研究人員通過(guò)使用間苯二酚-甲醛（RF）樹脂作為硬碳源，以多種一維納米纖維作為結(jié)構(gòu)模板制備RF的納米纖維氣凝膠，通過(guò)高溫碳化即可得到超彈性硬碳?xì)饽z。這種硬碳?xì)饽z微觀結(jié)構(gòu)精細(xì)，由大量的納米纖維和納米纖維之間的焊接點(diǎn)構(gòu)成（圖1）。這種方法簡(jiǎn)單高效，容易放大生產(chǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)模板與樹脂單體的添加量，可簡(jiǎn)便地調(diào)控納米纖維的直徑、氣凝膠的密度、機(jī)械性能等。
圖1. 硬碳?xì)饽z的制備。（a）示意圖，表明通過(guò)使用納米線作為模板的通用合成方法；（b）以BCNF@RF為例，宏量合成RF納米纖維水凝膠；（c）硬碳?xì)饽zSEM圖像；（d）顯示納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和纖維-纖維的焊接點(diǎn)。
與傳統(tǒng)硬而脆的硬碳?jí)K材不同，這種硬碳?xì)饽z表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性性能（圖2），主要包括：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（在壓縮50%之后，微觀結(jié)構(gòu)依然能恢復(fù)）；高回彈速度（860 mm s-1），高于眾多石墨碳基的彈性材料；低能量損耗系數(shù)（<0.16），一般石墨及軟碳材料內(nèi)部存在的分子間作用力，會(huì)造成粘附力和摩擦力從而耗散很多能量；抗疲勞性，在50%應(yīng)變下測(cè)試104個(gè)循環(huán)后，碳?xì)饽z僅顯示2%的塑性變形，并保持93%的初始應(yīng)力。研究人員還探索了這種硬碳?xì)饽z在彈性導(dǎo)體方面的應(yīng)用，在50%的應(yīng)變下多次壓縮循環(huán)后，電阻幾乎不變，展示出穩(wěn)定的機(jī)械-電學(xué)性能，同時(shí)可以在苛刻的條件下（例如在液氮中）保持超彈性及電阻穩(wěn)定性。
圖2. 碳?xì)饽z的機(jī)械性能。（a）BCNF@C氣凝膠的原位SEM；（b）不同材料能量損耗系數(shù)的對(duì)比；（c）不同材料回彈速度的對(duì)比；（d）碳?xì)饽z不同循環(huán)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
基于其優(yōu)異的機(jī)械性能，這種硬碳?xì)饽z有望應(yīng)用于具有高穩(wěn)定性、大量程（50 KPa）、可拉伸或可彎曲的應(yīng)力傳感器。此外，這種方法可擴(kuò)展到制備其他非碳基復(fù)合納米纖維氣凝膠，為今后提供了一種通過(guò)設(shè)計(jì)納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)將剛性材料轉(zhuǎn)變成彈性或柔性材料的新途徑。
該項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中科院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心等的資助。
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