Inspiriert von der Flexibilität und Steifheit natürlicher Spinnenseidennetze entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. YU Shuhong von der University of Science and Technology of China (USTC) eine einfache und allgemeine Methode zur Herstellung superelastischer und ermüdungsbeständiger Hartkohlenstoff-Aerogele mit einer nanofaserigen Netzwerkstruktur unter Verwendung von Resorcin-Formaldehyd-Harz als Hartkohlenstoffquelle.

In den letzten Jahrzehnten wurden Kohlenstoff-Aerogele unter Verwendung von Graphit- und Weichkohlenstoffen umfassend erforscht, da diese Vorteile in Bezug auf Superelastizität aufweisen. Diese elastischen Aerogele haben normalerweise feine Mikrostrukturen mit guter Ermüdungsbeständigkeit, aber extrem geringer Festigkeit. Hartkohlenstoffe weisen aufgrund der sp3 C-induzierten turbostratischen „Kartenhaus“-Struktur große Vorteile in Bezug auf mechanische Festigkeit und strukturelle Stabilität auf. Die Steifheit und Zerbrechlichkeit stehen der Erzielung von Superelastizität mit Hartkohlenstoffen jedoch eindeutig im Weg. Bis heute ist die Herstellung superelastischer Aerogele auf Basis von Hartkohlenstoffen noch immer eine Herausforderung.

Die Polymerisation von Harzmonomeren wurde in Gegenwart von Nanofasern als Strukturvorlagen eingeleitet, um ein Hydrogel mit nanofaserigen Netzwerken herzustellen, gefolgt von Trocknung und Pyrolyse, um hartes Kohlenstoff-Aerogel zu erhalten. Während der Polymerisation lagern sich die Monomere auf Vorlagen ab und verschweißen die Faser-Faser-Verbindungen, wodurch eine zufällige Netzwerkstruktur mit massiven, robusten Verbindungen entsteht. Darüber hinaus können physikalische Eigenschaften (wie Durchmesser von Nanofasern, Dichte von Aerogelen und mechanische Eigenschaften) durch einfaches Anpassen der Vorlagen und der Menge der Rohmaterialien gesteuert werden.

Aufgrund der harten Kohlenstoffnanofasern und der zahlreichen Schweißverbindungen zwischen den Nanofasern weisen die harten Kohlenstoffaerogele robuste und stabile mechanische Eigenschaften auf, darunter Superelastizität, hohe Festigkeit, extrem schnelle Rückstellgeschwindigkeit (860 mm s-1) und einen niedrigen Energieverlustkoeffizienten (<0,16). Nach einem Test mit 50 % Dehnung über 104 Zyklen zeigt das Kohlenstoffaerogel nur 2 % plastische Verformung und behält 93 % seiner ursprünglichen Spannung.

Das harte Kohlenstoff-Aerogel kann seine Superelastizität unter rauen Bedingungen, wie etwa in flüssigem Stickstoff, beibehalten. Aufgrund seiner faszinierenden mechanischen Eigenschaften ist dieses harte Kohlenstoff-Aerogel vielversprechend für die Anwendung in Spannungssensoren mit hoher Stabilität und großem Erfassungsbereich (50 KPa) sowie in dehnbaren oder biegbaren Leitern. Dieser Ansatz lässt sich vielversprechend auf die Herstellung anderer nicht auf Kohlenstoff basierender Verbund-Nanofasern ausweiten und bietet eine vielversprechende Möglichkeit, starre Materialien durch die Gestaltung nanofaseriger Mikrostrukturen in elastische oder flexible Materialien umzuwandeln.