清华航院李晓雁课题组合作在热解碳纳米点阵材料领域取得新进展

---

清华新闻网3月22日电 3月18日，清华大学航天航空学院李晓雁课题组与美国布朗大学、加州理工学院、浙江大学合作，在《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上发表了题为《轻质、高强以及缺陷不敏感的热解碳纳米点阵》（Lightweight, flaw-tolerant and ultrastrong nanoarchitected carbon）的研究论文。在论文中，研究者制备实现了同时具有超轻、高强度、大变形、缺陷不敏感的热解碳纳米点阵。
近二十年来，人们基于仿生设计制备了多种多样的具有优异力学性能的微纳米多孔材料。通常，人们将密度小于水密度（1 g/cm³）的材料定义为“超轻”材料。近些年，超轻材料已经成为了全世界材料科学和固体力学领域研究的热点。如何实现材料同时具有超轻、高强度、大变形、缺陷不敏感等优异性能是现代材料设计和制造的一个巨大挑战。
近年来，李晓雁研究组针对这一问题和挑战，采用新型微纳米制备技术制备了多种微纳米力学超材料，并利用原位电镜测试对其进行了力学表征。这些微纳米力学超材料展示出了优异的力学性能。近期，李晓雁课题组采用“双光子光刻—高温热解”两步法（图1A所示）制备获得了Octet型（图1B所示）和Iso型（图1C所示）两类热解碳纳米点阵，其中Octet型和Iso型单胞结构均是经过拓扑优化而获得的。这些新型热解碳纳米点阵的特征尺寸（即杆的直径）最小可以达到261 nm（图1D、E所示），超过了目前三维光刻技术可以实现的最小分辨率极限。这些热解碳纳米点阵的密度达到0.24-1.0 g/cm³，其强度介于0.05-1.90 GPa之间。特别引人关注的是，当点阵结构的密度约为1.0 g/cm³时，其强度高达1.9 GPa（图2A所示）。这一强度接近于热解碳材料固有的理论强度极限，从而导致该点阵的比强度（即强度与密度的比值）高达1.90 GPa g-1 cm³。这一比强度值比目前所有人工制备的微纳米点阵材料的比强度高1-3个量级。目前，在已经制备获得的所有超轻材料中，这些新型热解碳纳米点阵具有最高的强度和比强度，未来在微纳米结构器件中有着广泛的应用前景。

图1. 热解碳纳米点阵的两步法制备及其微结构
研究组采用原位电镜测试和有限元模拟进一步深入研究了热解碳纳米点阵的变形行为。研究结果表明：这些新型点阵的断裂应变高达14%，远超早先脆性材料的点阵结构（断裂应变仅有4%）；当点阵的密度大于0.4 g/cm³时，Octet型和Iso型热解碳纳米点阵展示出奇特的缺陷不敏感性，即制备过程中引入的多种缺陷（如直杆弯曲、错位等）并不会导致纳米点阵刚度和强度的降低（图2B所示）。这是因为，随着特征尺寸的下降，材料内部缺陷数量急剧减少，材料会表现出“越小越强”的奇特效应。特别是，当材料本身的特征尺寸达到纳米量级时，材料强度将会接近材料本身固有的理论强度极限。
这些新型热解碳纳米点阵展示了前所未有的力学性能：不仅具有超低的密度，而且具有超高的强度和比强度以及奇特的缺陷不敏感性。这些优异的力学性能主要归功于：（1）对于点阵几何结构的拓扑优化设计；（2）将结构中杆件的特征尺寸控制在了纳米量级；（3）采用高温热解方法获得了优质的热解碳材料。这一研究工作首次制备出了同时具有超轻、高强、大变形和缺陷不敏感的微纳米力学超材料，同时为设计和大规模制备具有优异力学性能的纳米构筑材料提供了一种切实可行的思路和方法。

图2. 热解碳纳米点阵的力学性能
近年来，李晓雁研究团队主要从事新型微纳米结构材料力学研究，在相关领域取得了多项重要的成果。相关工作发表在《自然材料》（Nature Materials）、《自然通讯》（Nature Communications）、《科学进展》（Science Advances）、《先进材料》（Advanced Materials）以及《美国化学学会-纳米材料》（ACS Nano）等期刊上。
清华大学李晓雁长聘副教授、布朗大学高华健教授和加州理工学院Julia R. Greer教授为论文的共同通讯作者，清华大学航院张璇博士为论文第一作者。该论文得到了国家自然科学基金的经费支持。
论文链接：
https://www.pnas.org/content/early/2019/03/12/1817309116
供稿：航院 编辑：李华山 审核：周襄楠
2019年03月22日 14:55:44　　清华新闻网