成果简介
超材料的概念被认为是一种新的方法，它通过在多个尺度上人工设计结构来克服物理性质之间的排他性响应，而不仅仅是新的成分组成或化学修饰。本文，兰州大学张强强教授团队在《Adv Mater》期刊发表名为“Lightweight 3D Graphene Metamaterials with Tunable Negative Thermal Expansion”的论文，研究提出了一种具有可调负热膨胀（NTE）行为的三维石墨烯超材料（GM），在正交双温度梯度的操纵下，通过双曲线取向的冻结过程来制备GM。由于石墨烯固有的褶皱形态和超大的长宽比，石墨烯的面内恢复力远高于面外。作为构建三维GM的基本组装单元，通过分子模拟和原位扫描电子显微镜实验观察，验证了石墨烯薄片的表观热致收缩变形。
在多尺度结构设计的基础上，除了二维石墨烯薄片外，NTE效应在微观尺度上的反常响应有效地扩展到了3D GM的介观收缩。3D GM的热膨胀系数从(−7.5±0.65)×10−6 K−1到(−0.8±0.25)×10−6 K−1可以进一步优化，这是由于其在多个尺度上的结构特征发生了变化，包括微尺度褶皱、介观孔形状和大尺度取向。在循环加载过程中，单独的机械压缩不可避免地在微观结构中产生明显的微裂纹，最大强度有所下降。与其他基于石墨烯的材料相比，由于机械压缩产生的热致应变降低，双曲线再入三维GM在热力耦合条件下具有更大的压痕阻力和剪切模量，更韧性的结构，更持久的疲劳稳定性，以及更高的热应力/裂纹抗力。
图文导读
图1、单层石墨烯片中C-C键的热诱导变形
图2.2D石墨烯片的NTE。
图3.3D GM的设计和制备。
图4.NTE对GM应力的调节。
小结
综上所述提出了一种具有NTE行为的3D GM。这款3D GM 在保护表皮、热致动器、智能切换器和填料等应用方面具有广阔的潜力。 .
文献：https://doi.org/10.1002/adma.202208562
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