Nature Materials 最新文献解读：新型超材料—超高比强度的纳米晶格

一叶扁舟 9年前 (2016-04-08) 10061浏览

【摘要】

德国卡尔斯鲁厄理工学院应用材料研究所的科学家最近在Nature Materials上发文，报道了他们通过聚合物热解过程中的收缩效应，成功制备出直径约200nm的超强玻璃碳纳米晶格，其力学强度接近此类材料的理论强度。同时利用这种纳米晶格，成功构建了一种蜂窝结构，其比强度可与金刚石相媲美。这种纳米晶结构将有利于促进纳米尺度先进构架材料的发展。清华大学李晓雁副研究员同时在Nature Materials对该文献进行解读并发表新闻稿。

【解读】

超材料是通过人工设计周期性结构单元，得到具有自然界材料所不具备的特异性质，如负折射率，负弹性模量，负泊松比等，超材料是科学家研究材料结构与物理性能关系的理想化材料。

轻量力学超材料的强度取决于拓扑结构以及微观尺寸效应，微晶格材料就是将拉伸支配的拓扑结构与尺寸依赖的强度效应相结合的产物，实验上一般通过这种轻量力学超材料来研究材料的力学尺寸效应。尽管目前的增材制造技术已经可以制备具有微米甚至纳米尺度的轻量超材料及其构架结构，但由于3D制造技术的本身分辨率的极限以及原材料（主要是聚合物树脂）的硬度和强度限制，目前采用3D激光直接写入技术所能制备的轻量化超材料一般只能达到微米量级，这就大大限制了轻量超材料在力学性能尺寸效应研究中的应用。

德国KIT的J. Bauer等人利用聚合物微晶格成功突破这些限制，他们利用聚合物热解过程中的体积收缩和质量损失效应，得到更小更强的碳结构，成功制备出了单层小于1微米，直径约200nm的超强玻璃碳纳米晶格，这也是目前该类材料能够获得的（通过聚合物热解过程中约80%收缩）最小晶格结构，其强度高达3GPa，接近玻璃碳的理论强度。这种纳米晶格的比强度是已报道的其他微晶格材料的六倍以上。

他们利用这种纳米晶格制备了一种蜂窝结构，测量其有效强度在0.6g/cm3时能够达到1.3GPa。在体材料中，只有金刚石才能与其相媲美。

【制备方法】

采用双光子光刻型三维激光写入技术制备了一种聚合物微米晶格，其圆柱直径和长度分别为1um和5-10um。通过裂解过程，可以使紫外线固化的树脂转化成具有优异物理性能的尺度更小的碳结构，即纳米晶格。通过原子层沉积技术/聚合物转化陶瓷/空心陶瓷结构技术能获得非常高的强度（密度在1g/cm3以下），甚至可以达到理论强度。

【结果简析】

图1 3D打印出用来制备玻璃碳纳米晶格的具有微米晶格结构的聚合物：(a) 裂解前的整体结构；(b) 临近的单组元结构；(c) (d): 裂解后的纳米晶格结构