清华航院李晓雁课题组在超轻、高强韧热解碳材料领域取得新进展
清华新闻网7月12日电 7月9日，清华大学航天航空学院李晓雁长聘副教授课题组与美国布朗大学、加州理工大学合作，在《自然·纳米科技》（Nature Nanotechnology）发表了题为“微米热解碳的理论强度与类橡胶变形行为”（Theoretical strength and rubber-like behavior in micro-sized pyrolytic carbon）的研究论文，标志着课题组在热解碳材料制备和力学表征方面取得重要进展。
对于结构材料而言，材料力学性能之间通常存在一定的矛盾和互斥，如高强度与低密度互斥、高强度与大变形互斥、高强度与高韧性互斥等。这些力学性能之间的矛盾和互斥成为严重制约结构材料发展的主要瓶颈。近几十年来，如何实现结构材料同时具有超轻、高强度、大变形等优异力学性能是现代材料设计和制造的一个巨大挑战，也是固体力学和材料科学领域研究的热点问题。
图1. 微纳米热解碳的原位电镜力学测试：（a）压缩强度随直径的变化；（b）原位压缩多周测试；（c）微纳米热解碳典型的应力-应变曲线；（d）原位压缩时的电镜照片。
在本项工作中，研究者将双光子光刻与高温热解技术相结合，通过控制试样尺寸、热解温度等重要参数，成功地制备了直径为几百纳米到十几微米的热解碳圆柱。通过高分辨率透射电镜、拉曼光谱以及电子能量损失光谱等技术表征，发现这些热解碳是由1纳米左右的弯曲的石墨片随机排布组合而成。研究者在扫描电镜中对这些热解碳进行了原位压缩和拉伸测试，结果表明：这些热解碳的平均拉伸强度达到1.6 GPa；而压缩强度表现出明显的尺度效应，随着直径的减小，热解碳的强度呈现出幂指数级的增长（图1a）。当直径小于2.3微米时，热解碳的强度高达13.7 GPa，达到材料的理论极限强度，符合早先的理论预测。其弹性极限达到20-30%，这意味着当材料压缩20-30%之后进行卸载，材料能够几乎完全恢复（图1b）。更为奇妙的是，热解碳在宏观尺度上表现为脆性，而在微纳米尺度上，这些微纳米热解碳柱能够承受50%的压缩应变而不出现明显的破坏，并展示出类橡胶的力学行为（图1c和1d）。
此外，通过实验测量，这些微纳米热解碳的密度仅有1.4 g/cm3。因此，这些热解碳的最大比压缩强度达到9.79GPa cm3/g，超过了多晶金刚石（被认为是具有最高比强度的块体材料）的比压缩强度。由于这些微纳米热解碳同时具有低的密度和超高的强度，因此克服了材料低密度和高强度的互斥，在强度-密度的Ashby图中落在了材料性能的极限区域（图2a）。这些微纳米热解碳同时具有超高的强度/比强度和较大的断裂应变，在一定程度上克服了材料高强度与高韧性的矛盾，从而占据了在比强度-断裂应变的Ashby设计图中右上角的空白区域（图2b）。
图2. 微纳米热解碳的力学性能：（a）强度-密度的Ashby图；（b）比强度-断裂应变的Ashby图。
研究者同时进行了大规模的原子尺度模拟，揭示了材料变形和破坏的微观机理，以及材料的力学性能与微结构之间的关联。根据实验观测，研究者首先构建了与实验样品微结构一致的原子模型，然后对其进行了单向压缩和拉伸的数值模拟。模拟结果表明：微纳米热解碳的压缩变形主要是由石墨烯的滑移和剪切以及整体结构的密实化主导（图3a），而拉伸变形主要是由纳米孔洞的形核和长大或初始微裂纹缺陷的扩展主导（图2b）。原子尺度模拟揭示了微纳米热解碳优异的力学性能主要归因于微纳米热解碳的微结构。
图3. 微纳米热解碳变形和破坏的分子动力学模拟：（a）压缩比变形；（b）拉伸变形。
近年来，李晓雁副教授课题组主要从事新型微纳米结构材料的设计、制备和力学行为研究，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。
论文共同第一作者为清华大学航天航空学院张璇博士、2015级博士生钟磊和加州理工学院博士生Arturo Mateos，清华大学为论文第一单位。论文共同通讯作者为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。该论文得到了国家自然科学基金和科技部青年973项目的经费支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0486-y
供稿：航天航空学院
编辑：李华山 曲田
审核：赵姝婧 程曦
2019年07月12日 16:26:41 清华新闻网
