兰州大学《Carbon》：超弹性仿生石墨烯/纳米陶瓷超材料，具有可调热力学性能

成果简介

受限于组成原子之间固有的强键，工程材料不可避免地要在热机械强度、韧性和稳定性之间做出权衡。本文，兰州大学张强强团队在《Carbon》期刊发表名为“Superelastic bionic graphene/nanoceramic metamaterials with tunable thermo-mechanical performances”的论文，研究通过在三维双曲石墨烯模板的多层微细胞壁内原位插层 Zr(WO4)2 纳米粒子，创建了石墨烯/纳米陶瓷超材料 (GNC) 。

还原氧化石墨烯（RGO）-Zr(WO4)2薄片的仿生层状特征使其在微尺度上具有很高的延展性和刚度，而 GNC 的双曲介观结构则显著增强了其抗剪切滑移诱导断裂的能力。因此，三维轻质 GNC 超材料在弹性可压缩性（90%）、强度（1.4 MPa））和韧性（1.62 N/m）方面都比已报道的具有类似结构的单个组件或夹层微电池材料有协同改善。

此外，由于RGO片有效地调节了Zr（WO4）2的晶格旋转，3D GNC表现出可调谐的热膨胀系数（TEC）接近零（−1.1×10−6K−1）、负（−11.6×10−6K−1、正（1.2×10−6k−1），甚至三种方案的组合。由此产生的低热导率（约0.007 W m−1 K−1）、先前的抗热震性（200 K/s）和防火性使GNC超材料有望在极端条件下应用，如轻质保护填料、隔热材料、坚固的阻尼器、阻燃涂层、热应力调节器等。

图文导读

图1.仿生石墨烯/纳米陶瓷超材料（GNM）的概念设计

图2.3D GNC超材料在多个尺度上的微观结构表征

图3.3D GNC超材料的比较表征

图4.三维石墨烯杂化纳米陶瓷（GNC）超材料的力学性能研究

图5.三维GNC超材料的热致变形及机理研究.

小结

综上所述，本文通过多尺度的合理设计和精确构造，重点介绍了一种具有双曲线结构结构的三维GNC超材料。3D GNC在热机械性能方面的这种异常行为使各种有前途的应用成为可能，例如热保护系统，热驱动执行器，隔振器和内力调制。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118357