浙江大学高超教授团队AM：基于拓扑孔多层级结构设计的高刚度超弹性石墨烯气凝胶

背景介绍

轻质多孔结构材料具有高孔隙率和高比刚度，在减震吸能、保温隔热、电磁防护等方面具有广泛应用。在工程应用中，多孔材料兼具高刚度和优异机械稳定性至关重要。然而，在多孔材料中由于刚度和壁厚之间的强相关性导致这两种性能难以兼得。高刚度材料在变形过程中由于内应力的急剧增加导致其厚壁易发生永久性破坏，结构稳定性差。目前通过结构单元的几何设计降低壁厚与孔径尺寸比已成为提高其机械稳定性的主要策略。但现有设计理念通常局限于低密度的多孔材料，不能满足实际应用中承受载荷所需的高模量需求。

成果介绍

基于此，浙江大学高超教授、高微微副教授及庞凯专职研究员团队设计了一种拓扑孔层级结构，制备出同时兼具超高刚度（杨氏模量>10 MPa）和超弹性（>90% 的压缩可回复应变）稳定的石墨烯气凝胶材料。相关研究成果以“Ultra-Stiff yet Super-Elastic Graphene Aerogels by Topological Cellular Hierarchy”为题发表在《Advanced Materials》期刊（Adv. Mater. 2024, 2417462）（https://doi.org/10.1002/adma.202417462）。论文第一作者为浙江大学博士生夏雨星及西安交通大学覃华松副教授。

本工作所设计的拓扑孔多层级结构通过在蜂窝孔框架中采用三维空间受限发泡法引入大量连续的瓦楞孔和纳米壁。该结构可以将原本厚壁的脆性断裂变形模式转变为柔性薄壁的可逆屈曲弹性变形模式从而承受更高的负载且维持结构稳定。超薄纳米壁有利于在大应变下沿面外方向发生屈曲变形，从而提高力学性能可回复性。通过单胞实验和理论分析进一步证明了瓦楞孔的引入显著提高了承载能力，并有效分散了经典蜂窝孔壁连接处的应力集中。所制备的石墨烯气凝胶的压缩模量是传统石墨烯气凝胶的两倍，同时可以在60% 应变下实现10000 次疲劳压缩的稳定循环。这种高刚度且超弹性的石墨烯气凝胶具有优越的能量耗散和抗冲击疲劳性能，作为缓冲层制备的三明治树脂复材可以抵抗高速子弹的冲击 (~200 m·s^-1)，在抗子弹冲击防护领域展现出巨大的应用潜力。

图文导读

图1. 基于拓扑孔多层级结构的超高刚度超弹性石墨烯气凝胶

图2 薄壁多孔材料中的弹性变形机理

图3 拓扑孔单胞的机械性能

图4 拓扑孔多层级气凝胶的机械性能

图5 拓扑孔多层级气凝胶三明治结构的抗冲击疲劳性能和抗弹性能

致  谢

该工作得到了国家自然科学基金委重大项目、浙江省杰青项目、山西浙大新材料与化工研究院项目经费、中央高校基本科研业务费专项资金等经费的支持。