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       具有高刚度和优异弹性的轻质多孔材料在减震吸能、保温隔热、电磁防护等多个领域具有广泛应用。然而，由于刚度和壁厚之间的强相关性，多孔材料难以兼具高刚度和超弹性。高刚度多孔材料的厚壁在变形过程中由于应力集中易发生永久性破坏，导致结构稳定性差。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力学稳定性的主要策略。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。因此，设计兼具高刚度与超弹性的石墨烯气凝胶是亟待解决的关键科学问题。

       近日，西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队与浙江大学高分子科学与工程系高超教授团队合作设计了一种拓扑多层级孔结构，通过有效降低孔壁厚抑制多孔微结构的应力集中，制备得到了同时兼具高刚度（杨氏模量>10 MPa）和超弹性（可回复压缩应变>90%）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”为题发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上（DOI: 10.1002/adma.202417462）。

内容概述

       通过三维空间受限发泡法在蜂窝孔框架中引入大量连续的纳米壁波纹孔，实现了石墨烯气凝胶的拓扑多层级孔结构（图一）。该结构能够有效降低孔壁弯曲变形引起的拉应力，阻止孔壁表面的脆性断裂，使其在更高的载荷下保持结构稳定（图二）。此外，超薄孔壁在高载荷下易沿面外方向发生屈曲变形，使孔壁在不同方向载荷下处于均匀变形状态，有效抑制了蜂窝多孔结构节点处的应力集中与失效（图三）。实验和有限元分析结果表明拓扑多层级孔结构的引入显著提高了石墨烯气凝胶的承载能力，使其压缩模量提高至传统石墨烯气凝胶的两倍，同时可以在104循环载荷（60%应变）后保持结构完整，无明显损伤出现（图四）。此外，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结构树脂基复合材料可以抵抗高速子弹的冲击(~200 m/s)，在抗子弹冲击防护领域展现出巨大的应用潜力（图五）。

图1. 基于拓扑多层级孔结构的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制

图3. 拓扑多层级孔结构单胞的力学性能

图4. 拓扑多层级孔结构石墨烯气凝胶的力学性能

图5. 拓扑多层级孔石墨烯气凝胶三明治结构的抗冲击疲劳性能和抗弹性能

关于作者

       论文第一作者为浙江大学博士生夏雨星与西安交通大学覃华松副教授，西安交通大学博士生童文浩参与，浙江大学庞凯副研究员、高微微副教授和高超教授为论文的通讯作者。西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队长期招收研究生和博士后，诚邀国内外优秀青年教师加入团队共同进步，欢迎有意者联系。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202417462