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具有类“卷心菜”结构的负泊松比碳气凝胶复合材料 |
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助力防火隔热和微波吸收 |
近日，华南理工大学郭建华教授/康涅狄格大学孙陆逸教授团队报道了一种具有良好的柔韧性和负泊松比特性的复合碳气凝胶材料。该材料具有类“卷心菜”结构，表现出良好的柔韧性，耐切割性，优异的防火隔热和微波吸收性能。
相关成果“cabbage-like flexible fluororubber/carbon aerogel hybrids with negative poissons ratios and excellent microwave absorption”发表在2023年11月2日的matter期刊上。论文通讯作者是郭建华教授和孙陆逸教授，第一作者为华南理工大学博士生余池，该工作的模拟仿真工作得到了华南理工大学胡楠教授团队的大力支持。
碳气凝胶是以碳纳米材料为骨架，具有三维多孔结构的凝胶材料。碳气凝胶由于具有极低的密度、良好的耐热性和导电性等优异性能被广泛关注和研究。目前，碳气凝胶在传感、隔热、防火、污水处理、储能和电磁吸收等诸多领域具有广阔的应用前景。然而碳气凝胶自身结构较为脆弱，力学性能不足限制了其在柔性传感器、可拉伸电子器件和航空航天等领域的应用。
图1：fcga的结构设计、类“卷心菜”结构和柔韧性和耐切割性展示。
在此，华南理工大学郭建华教授/康涅狄格大学孙陆逸教授团队通过设计制备了一种具有类“卷心菜”结构的氟橡胶改性碳气凝胶（fcga），实现了碳气凝胶复合材料的可压缩回弹性和高柔韧性。该材料的制备过程是首先通过水热环流以及氧化石墨烯纳米片和碳纳米管的自组装，随后冷冻干燥制成碳气凝胶，之后再通过氟橡胶溶液对碳气凝胶进行浸渍改性，得到氟橡胶改性碳气凝胶（fcga）。这种方法实现了氟橡胶薄膜和气凝胶之间的物理包覆和氢键结合，使得氟橡胶薄膜在碳气凝胶外部形成良好的保护。因而，制备的碳气凝胶复合材料具有优良的柔韧性和较低的负泊松比。
图2：fcga的力学性能以及负泊松比性能展示。
该研究工作通过abaqus软件建模、模拟计算和3d打印制备聚氨酯模型样品，建立了fcga的“卷心菜”结构与材料负泊松比性能之间的关联，揭示了负泊松比现象的形成机制，为负泊松比材料的结构设计提供了新思路。
图3：fcga的隔热和防火性能展示。
图4：fcga的微波吸收性能和吸波机理示意图。
此外，fcga具有优异的防火和隔热性能，该气凝胶在1300 °c下火焰下不燃，而且材料的导热系数仅为40 mw•m−1•k−1，隔热性能好。fcga的微波吸收性能优异，当厚度为3.1毫米时，复合气凝胶的微波吸收频带宽度为5.0 ghz，最小反射损耗达到−70.6 db。
因此，该研究制备的新型碳气凝胶在多功能微波吸收材料、柔性电子元器件等领域具有潜在的应用前景。（来源：科学网）
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