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【中國科學報】中國科大研制出耐極端溫度仿生超彈性“碳彈簧”

2021-08-31 中國科學報 桂運安
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  中國科學技術大學俞書宏院士團隊成功研制出一種兼具高可壓縮性和可拉伸性的超彈性全碳多孔材料“碳彈簧”,獨特的微觀結構和性能使其成為制造智能振動和磁性傳感器件的理想材料,所獲得的傳感器件甚至能在極端溫度環境下(-100℃到350℃)有效地發揮作用。該成果日前發表于《先進材料》。

  此前,該團隊受人類“足弓”的宏觀彈性拱形結構啟發,借助他們發展的雙向冰模板技術,成功構筑了由微拱結構單元有序堆疊構成的全碳多孔材料。近來,他們再次從“弓”的彈性變形機制中獲取靈感,通過深入研究表明,引入的這種獨特的長程有序層狀微拱結構,不僅可以解決多孔碳材料的壓縮脆性問題,而且可以有效解決其拉伸脆性問題。這種“碳彈簧”可以在大應變范圍內實現可逆的拉伸和壓縮形變,并能完全回彈,類似于真正的金屬彈簧。此外,研究人員通過結合原位掃描電鏡觀察和有限元模擬,證實了其彈性變形機制。

  基于該“碳彈簧”的獨特變形機制和機械性能以及良好的導電性,研究人員將其作為關鍵部件,成功研制了可檢測微小振動的應變傳感器件,并能對多種復雜的振動模式作出靈敏響應,其中包括模擬的地震波振動。

  此外,研究人員通過預先將四氧化三鐵納米粒子共組裝到材料框架中,獲得了可被磁場驅動的磁性碳彈簧。該磁性碳彈簧也可被用作關鍵部件,進而制造成了一種新型磁性傳感器件。該磁性傳感器可靈敏地探測到小至0.4 毫特斯拉的微小磁場。這兩種傳感器件均可以在極端溫度環境中穩定地發揮作用,這種獨特優勢使其有可能被應用到外太空探測任務中。

  相關論文信息:https://doi.org/10.1002/adma.202102724

  (原載于《中國科學報》 2021-08-31 第4版 綜合)
打印 責任編輯:閻芳

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