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中科大俞书宏课题组《Adv Mater》:高度可压缩可伸缩碳弹簧,用于智能振动和磁性传感器
2021-08-27 点击率:92


    多孔碳材料因其诱人的特性而被广泛应用。机械柔性是保证其耐久性的基本属性。经过几十年的研究,多孔碳材料的压缩脆性得到了很好的解决。然而,由于多孔碳网络固有的弱连接和脆弱的接头,其可逆拉伸性仍然难以实现。中科大俞书宏院士课题组在《Advanced Materials》期刊发表名为“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring for Smart Vibration and Magnetism Sensors”的论文,受拱形弓弹性变形的启发,进一步研究了这种独特的多孔碳材料在可伸缩变形下的弹性。结果显示,多孔全碳材料在循环压缩-拉伸过程的条件下可以保持可靠的结构坚固性和耐久性,类似于金属弹簧。独特的性能使其成为制造智能振动和磁性传感器的有优良平台,甚至能够在极端温度下运行。此外,这项研究为从其他纯无机成分中制备高度可拉伸和可压缩的多孔材料提供了宝贵的见解,以用于未来的各种应用。


图1、多孔碳材料的制备及机械性能

图2、碳弹簧的大可逆拉伸性的机制

图3、碳弹簧的应变传感器的传感性能

图4、碳弹簧的磁传感器的传感性能


    通过设计一种独特的长程层状多拱微结构,可以有效避免多孔碳基整料的压缩脆性和拉伸脆性,从而产生一种真正的弹簧状碳材料,其表现出可靠的结构坚固性和耐用性。原位显微观察和有限元模拟证实,碳弹簧中对齐的拱形薄壳可以通过大的平面外变形分担施加的应变以适应大的整体变形,同时在薄壳内承受微小的真实材料应变。此外,这两种传感器都能够在极端温度环境下工作,可以满足太空探索等许多特殊任务的要求。

文献:

https://doi.org/10.1002/adma.202102724


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