逆天的仿生设计：超碳弹簧
本帖最后由 LoswimM 于 2017-5-11 18:02 编辑具有高压缩性，弹性和抗疲劳性能的低密度多孔材料在机械阻尼，柔性电子，致动器和多功能聚合物纳米复合材料中具有广阔的应用前景。最近，研究者已成功将具有超低密度和超弹性的多孔材料合成了灵活稳定的纳米级构件，如石墨烯和碳纳米管。然而，当这些多孔材料承受大应变循环压缩时，经常会发生微结构开裂或屈服破坏现象，造成较大的能量耗散，塑性变形和强度降低。由于细胞材料的力学性质不仅取决于基础构件的力学性质，还取决于组装多孔网络的层次结构，由此可见，找出合成高可压缩性，弹性和抗疲劳性多孔材料的有效解决方案是极具挑战性的。
【图1】 基于微拱结构设计的弹性碳整料。（a）人脚的弹性宏观拱结构的例子。 （b）展示出碳弹性体制造工艺的示意图。 （c）来自高速摄像机的实时图像，表明碳弹性体可以以弹簧般的方式高速回弹钢球。 （d）碳弹性体在20％应变下的应力-应变曲线为1000000次循环，50％应变为250000次循环，80％应变为10000次循环。（e）在最大应变为50％的压缩下对碳弹性体进行原位SEM观察。大型几何变形下拱形薄壳模型的真实材料应变（von Mises总应变）轮廓。转载自Ref. Gao HL, Zhu YB, Mao LB, et al. Super-elastic and fatigue resistant carbon material with lamellar multi-arch microstructure.
振奋人心的是，中国科学技术大学（USTC）Shu-Hong Yu和Heng-An Wu领导的团队最近报道了一种新的仿生设计，通过借鉴宏观生物学世界中广泛存在的设计来解决这项挑战。他们观察到，生物学中的拱形结构非常有利于实现抗疲劳力和弹性两种性质的组合。例如人脚拱，其可作为弹性弹簧式缓冲系统来促进人的运动（如图1a），拱形弹簧式悬架系统可以帮助支撑轴并吸收力学冲击。为了实现碳基细胞材料中微米尺度的仿生设计，USTC研究人员提供了一个明智战略，他们首先通过双向冷冻制造了由多个平行排列和层叠的薄片状壳聚糖-石墨烯氧化物（CS-GO）复合细胞支架，随后进行冷冻干燥和热退火工艺过程。他们发现在退火过程中由其部分质量损失引起的CS矩阵的局部体积减小，导致薄片被自行皱缩成波形微拱形状（图1b）。
研究结果发现，尽管整体材料由非常脆的无定形碳-石墨烯（C-G）复合材料构成，但所得的含层状微拱的碳多孔结构却具有高弹性。碳弹性体可以在90％的压缩应变下完全恢复到原来的形状，且其能量损耗小于0.2，低于之前的所有报告值（0.3-0.7）。当它以弹簧状回弹一个钢球时，快速恢复速度为580 mm/s（超过以前报告所最大值的四倍）（图1c）。更有趣的是，该碳弹性体还具有高水平的抗疲劳性质。在20％应变下进行不下1000000次压缩循环，50％应变下250000次循环，80％应变下10000次循环，但仍然维持其结构完整性（图1d）。这与由强大牢固的固体成分组成的最先进宏观结构材料相当。在压缩过程（图1e）和力学模拟（图1f）下的材料原位SEM观察显示，薄壳微拱结构确实展现出典型的弹性行为，由于平面内材料应变小，它可以经历大的平面外变形而不产生屈服现象。实验和模拟测试都表明，整体弹性体的优异弹性确实源于微拱结构单元的固有弹性。
目前在宏观力学中应用的原理极易转移到微观多孔材料世界。在这项工作中证明，仿生设计通过合理设计固体成分和分层结构的性质，突出了优异性质多孔材料的巨大潜力。我们期望这项工作将刺激更多的研究工作来创造新一代的功能性多孔材料。
原文链接：Super-carbon spring: a biomimetic design
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