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陶瓷和石墨烯完美结合的超高性能轻质材料
 

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    上图是一种新型的轻质、高强、阻燃和高弹性的超材料,这些优异的性能使其在各大领域中具有潜在的应用价值。


    来自美国普渡大学的研究人员,与兰州大学和哈尔滨工业大学的团队,以及美国空军研究实验室的科学家们合作,他们认为将氧化铝纳米层和石墨烯结合在一起的超材料,可以应用于包括建筑和航空航天在内的多个行业。

    普渡大学工业工程学院的副教授GaryCheng在一份声明中表示:“这种材料甚至要比羽毛都轻,因为它具有极低的密度,同时还拥有着非常高的比强度。”

    GaryCheng补充道:“如今陶瓷组件的优异性能已被应用于许许多多的领域之中,例如保温材料、智能传感器、电磁波吸收材料和防腐蚀涂层等。”

    这种超材料内部具有蜂窝式微结构,能够提供超强的弹性和结构鲁棒性(结构鲁棒性又可称为结构整体性和牢固性,有时亦可称为防止结构连续倒塌性。它是从从结构概念学角度对结构整体受力性能的一种阐释,要求结构的构件能够协调工作,连接要可靠,构成一个牢固的结构整体;结构鲁棒性要求结构有多道防线,不致因某一构件的失效而造成结构性的破坏,要求结构即便发生局部破坏后也不至于引发大范围的连续倒塌)。复合材料由夹在陶瓷层之间相互连接的石墨烯所组成。石墨烯支架又被称为气凝胶,它是用一种叫做原子层沉积的工艺与陶瓷层进行化学键合的。

    GaryCheng说:“我们仔细控制了这种石墨烯气凝胶的几何形状,并沉积了一层很薄的陶瓷层。值得一提的是,这种气凝胶的机械性能具有多功能性,”他补充说,“这项研究有可能使石墨烯成为一种更加实用的功能性材料。”

    一般石墨烯在高温下会自动分解,但是陶瓷氧化铝却赋予了其高的耐热性和阻燃性能,可以用作飞机的隔热罩。然而陶瓷材料同样会带来一些不好的影响,抑制了他们作为功能性材料的应用。

    GaryCheng说:“在这里,我们报告了一种多功能的陶瓷——石墨烯超材料,其微结构能够提供超强的弹性和结构鲁棒性,为了实现了这一点,我们通过组合多层弹性单元格,设计出了一种分层的蜂窝式微结构。这种超材料同时表现出一系列多功能的属性,这在之前的陶瓷和陶瓷——基体复合结构中还没有被报道过,”他补充说。

    这种轻质、高强和极具减震性能的材料,有望使得复合材料成为柔性电子器件和大型应变传感器的良好基材。它同时还具有很高的电导率,是一种极佳的绝热材料,可用作阻燃、隔热涂层以及将热量转换成电能的传感器和设备。

    该工艺可能会应用到大规模地工业制造中,未来可能会通过改变其晶体结构,或者扩大制造和控制微结构的工艺来优化材料的性能。
 

 


 

 

 
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