Вдохновленная гибкостью и жесткостью паутины из натурального паутины, исследовательская группа под руководством профессора Ю Шухуна из Университета науки и технологий Китая (USTC) разработала простой и общий метод изготовления сверхэластичных и усталостных аэрогелей из твердого углерода с нановолокнами. сетчатую структуру с использованием резорцин-формальдегидной смолы в качестве твердого источника углерода.

В последние десятилетия широко исследуются углеродные аэрогели с использованием графитовых углей и мягких углей, которые демонстрируют преимущества в сверхэластичности. Эти эластичные аэрогели обычно имеют тонкую микроструктуру с хорошей усталостной прочностью, но сверхнизкой прочностью. Твердые углероды демонстрируют большие преимущества в механической прочности и структурной стабильности благодаря индуцированной sp3 C турбостратной структуре «карточного домика». Однако жесткость и хрупкость явно мешают достичь сверхэластичности с помощью твердого углерода. До сих пор остается сложной задачей изготовление сверхэластичных твердых аэрогелей на основе углерода.

Полимеризацию мономеров смолы инициировали в присутствии нановолокон в качестве структурных шаблонов для получения гидрогеля с нановолокнистой сеткой с последующей сушкой и пиролизом с получением твердоуглеродного аэрогеля. Во время полимеризации мономеры осаждаются на шаблонах и сваривают соединения волокон, оставляя хаотичную сетчатую структуру с массивными прочными соединениями. Более того, физические свойства (такие как диаметры нановолокон, плотность аэрогелей и механические свойства) можно контролировать путем простой настройки шаблонов и количества сырья.

Благодаря твердым углеродным нановолокнам и большому количеству сварных соединений между нановолокнами твердые углеродные аэрогели демонстрируют надежные и стабильные механические характеристики, включая сверхэластичность, высокую прочность, чрезвычайно быструю скорость восстановления (860 мм с-1) и низкий коэффициент потерь энергии ( <0,16). После испытаний при деформации 50 % в течение 104 циклов углеродный аэрогель демонстрирует пластическую деформацию только 2 % и сохраняет исходное напряжение 93 %.

Твердый углеродный аэрогель может сохранять сверхэластичность в суровых условиях, например, в жидком азоте. Благодаря потрясающим механическим свойствам этот твердый углеродный аэрогель перспективен для применения в датчиках напряжения с высокой стабильностью и широким диапазоном обнаружения (50 кПа), а также в качестве растягивающихся или сгибаемых проводников. Этот подход обещает быть расширен для создания других композитных нановолокон на неуглеродной основе и обеспечивает многообещающий способ преобразования жестких материалов в эластичные или гибкие материалы путем проектирования нановолокнистых микроструктур.