具有可调负热膨胀的轻质3D石墨烯超材料

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2024-04-25 13:59:40

具有可调负热膨胀的轻质3D石墨烯超材料

热膨胀性能作为工程材料最常规的性能之一，反映了材料因温度变化而产生的几何特性变化。定义线性热膨胀系数(TEC,α_L,K^-1)为一定温度变化(ΔT)下长度增量(ΔL=L_T-L₀)与原始长度(L)的比值(α_L=ΔL/(L×ΔT)))。理论上，热膨胀产生的应力(σ_T=EαΔT)叠加可能显著提高热-力耦合条件下轻质材料的内应力水平，使其容易因应力集中、塑性变形、裂纹扩展、疲劳失效等现象导致力学性能和结构鲁棒性的退化。一般来说，可以通过机械增强或化学改性的方式抑制热膨胀；但这并不能完全消除较高温度下原子间距增大的内在限制带来的相关负面影响。超材料的问世证明了可通过人工设计多尺度微结构以调控材料对物理场激发的响应，这是一种可促进工程材料多种功能相对均衡调节的新材料设计方法。在这项研究中，兰州大学张强强教授课题组通过化学交联有序组装2D石墨烯基元，并在正交双梯度温度场调控下，采用双曲取向冷冻的策略制备了一种具有可调负热膨胀性能的3D石墨烯超材料(GM)。作为3D GM的基本构建单元，石墨烯片表现出异常的热致收缩变形效应(NTE)，其热膨胀系数为(-6.12±0.28)×10^-6。经数值模拟和实验研究相互印证，表明NTE效应可以成功从二维石墨烯基元拓展至三维石墨烯结构。此外，由于NTE效应具有对微结构主应力/应变的可控释放能力，可通过多尺度结构设计和优化实现3D GM所具有NTE性能的编码调控。同时，3D GM在热-力耦合条件下表现出了高热稳定性，同时保持了理想的结构鲁棒性和抗疲劳性，使该超材料在保护表皮、热致动器、智能开关和填料等方面具有广阔的应用前景。相关论文以题为：“Lightweight 3D Graphene Metamaterials with Tunable Negative Thermal Expansion”发表在ADVANCED MATERIALS上。