高强度高延性宏观碳材料的力学设计取得进展

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高性能宏观碳材料，如碳纤维，是各类高强、高模复合材料的基础，在空天领域发挥着不可替代的战略性作用。

然而，经过长期的工艺优化，碳纤维的力学性能日益稳定，发展趋势减缓 (图1)。另一方面，碳纳米结构的发现与自下而上组装技术的兴起为高强轻质材料的发展带来了新机遇。

图1.碳纤维、碳纳米管纤维与石墨烯薄膜抗拉强度的发展趋势比较 (Gao et al., Carbon, 2018, 138: 134-142; Gao et al., Bio-inspired graphene-derived membranes, 21st Century Nanoscience - A Handbook, CRC Press, 2019)。

基于碳纳米结构制备高强轻质材料的基本原理是定向组装碳纳米结构，最大限度地利用碳纳米结构在优势维度上的力学特性。近二十年来，高质量碳纳米结构的制备、改性与组装技术快速发展，构筑单元及其界面结构持续优化，以碳纳米管纤维与石墨烯薄膜为代表的碳纳米结构组装材料发展势头强劲。例如，碳纳米管纤维抗拉强度已经高达数个吉帕 (图1)，而密度仅约为普通钢材的六分之一。高强轻质的特性使低维碳基取向材料在军事及民用领域具有广阔的应用前景。

图2. 高性能碳材料的强度-延性悖论。

但是，此类材料尚无法兼具高强度和高延性，展现出强度-延性悖论 (图2)。经过长久演化，自然界中的许多生物材料具有突出的高强高延性能，这为基于微结构设计材料提供了灵感。例如，得益于包括β折叠结构在内的多种构象及其之间的转变，蚕丝兼具高强度与高延性的特质。受此启发，武汉大学的科研人员提出并验证了通过折叠低维碳结构以实现其宏观构筑材料高强度和高延性协同的策略 (图3)。具体而言：

首先，仿照高强高延生物材料的β折叠片层结构，以超柔性碳纳米结构为构筑单元取代天然β折叠片层的肽链，获得折叠碳纳米结构 (图3)，再将折叠的碳纳米结构层层组装，构建宏观组装材料模型；

图3. (a)蚕茧与蛋白β折叠片层结构；(b)碳纳米结构组装材料与折叠片层结构设计示意图。

然后，对上述生物启发材料开展大尺度原子模拟验证，结果表明上述材料具有优异的动力学稳定性以及高强高延特性 (图4)。例如，对于两次折叠碳纳米结构材料，理想抗拉强度和断裂应变分别高达33 GPa和256%，同时界面的剪切、滑移以及折叠的展开显著提高了材料变形破坏所耗散的能量。

图4. (a)折叠组装材料的动力学稳定性计算分析，以及(b)典型应力应变曲线。

最后，开展了折叠微观结构与材料宏观强度-延性的关联研究，获得了折叠结构特征参数(折叠长度、折叠层数与折叠界面结合能)与宏观材料强度-延性的定量关系，建立了嵌入折叠结构特征参数的力学模型。对模型参数开展分析，提出了面向材料高强度-高延性需求的微结构设计，以及最大限度利用碳纳米结构优异力学特性的组装策略 (图5)。

图5. (a)不同折叠组装材料的应力应变曲线表明(b)折叠层数n是有效调节其宏观强度与延展性的有效参量。

该工作基于生物启发提出了通过微观结构设计获取宏观高强度高延性材料的策略，并使用原子模拟验证了该策略的可行性，多尺度理论分析给出了高性能碳材料强度-延性微结构的物理图像。该工作为高强度高延性材料的实验制备提供了坚实基础，有助于推动新兴高性能碳材料的发展。

近期该工作以“Bio-inspired self-folding strategy to break the trade-off between strength and ductility in carbon-nanoarchitected materials”为题发表在自然伙伴期刊npj Computational Materials。该论文通讯作者为武汉大学土建学院高恩来副研究员，第一作者为武汉大学土建学院2016级本科生贾向正。该研究得到国家自然科学基金、湖北省自然科学基金和中央高校自主科研经费的资助。

作者简介

高恩来，武汉大学工程力学系副研究员。2013和2018年分别本科和博士毕业于中国农业大学工程力学专业和清华大学固体力学专业。2016至2017年在美国德克萨斯大学-达拉斯分校访问研究。2018年入职武汉大学土木建筑工程学院工程力学系。主要从事复杂固体微观结构与宏观性能关联等物理力学问题研究。在JMPS, Science, Nature Comm.等主流期刊发表学术论文30余篇；获授权发明专利2项；应邀撰写英文专著1章。

相关研究链接：http://enlaigao.whu.edu.cn/

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