輕質(zhì)多孔材料（LCMs）因具有高孔隙率和高剛度重量比，在結(jié)構(gòu)工程、能量吸收、隔熱和其他功能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。高剛性是工程性能的關(guān)鍵前提，而彈性可恢復(fù)性則關(guān)乎結(jié)構(gòu)的可靠性和長期耐久性。然而，在LCMs中，這些特性通常是相互排斥的，主要是因為LCMs材料的效率和單元壁厚度之間存在很強的相關(guān)性。在高剛度單體中，較厚的壁由于內(nèi)部張力誘導(dǎo)的變形急劇增加而易于破裂，尤其在脆性組件中。因此，傳統(tǒng)的高強度整體式結(jié)構(gòu)在超負(fù)荷變形下往往會遭受災(zāi)難性的破壞和較差的結(jié)構(gòu)耐受性。

結(jié)構(gòu)單元的幾何設(shè)計是提升輕質(zhì)材料力學(xué)性能的主要策略之一。例如，經(jīng)典蜂窩材料的壁厚與尺寸之比較小，通過沿平面外方向進(jìn)行彈性屈曲，確保了在大變形下的結(jié)構(gòu)可恢復(fù)性。拱形層狀結(jié)構(gòu)因在大變形過程中會產(chǎn)生小拱，而具有優(yōu)異的彈性，起到彈性支撐塊的作用。然而，這些設(shè)計概念通常只適用于低密度蜂窩材料，這些材料無法滿足實際應(yīng)用中承受載荷所需的高模量。

研究人員通過精確控制晶格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和從微觀到宏觀的組裝層次結(jié)構(gòu)，設(shè)計了微/納米晶格，以制造高剛性的LCMs。與其他輕質(zhì)材料相比，八隅體單元是一種經(jīng)典的拉伸分層結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的強度比（特定強度）。然而，這種策略損害了機械可恢復(fù)性，斷裂應(yīng)變通常低于20%。迄今為止，在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)范式中，高效性和結(jié)構(gòu)可恢復(fù)性之間的矛盾仍未得到解決。

近日，浙江大學(xué)高超教授、高微微副教授、龐凱博士合作報道了一種拓?fù)鋯卧獙哟谓Y(jié)構(gòu)，設(shè)計用于制造超硬（》10MPa模量）且超彈性（》90%可恢復(fù)應(yīng)變）的石墨烯氣凝膠。這種拓?fù)浞涓C結(jié)構(gòu)由巨大的波紋孔和納米壁組成，能夠通過蜂窩框架內(nèi)的主要可逆屈曲來承載高載荷。與傳統(tǒng)石墨烯氣凝膠相比，所制備的石墨烯氣凝膠展現(xiàn)出近兩倍的壓縮模量。這種高硬度石墨烯氣凝膠還表現(xiàn)出卓越的機械可恢復(fù)性，在10000次疲勞循環(huán)中實現(xiàn)了高達(dá)60%的應(yīng)變恢復(fù)，且沒有明顯的結(jié)構(gòu)故障，其性能優(yōu)于已報道的大多數(shù)多孔晶格和整體材料。

實驗進(jìn)一步證明，這種石墨烯氣凝膠具有優(yōu)異的能量耗散和抗疲勞動態(tài)沖擊性能，其能量吸收能力比傳統(tǒng)氣凝膠高出近一個數(shù)量級。這些特性使得拓?fù)浞涓C狀石墨烯氣凝膠在高能子彈防護(hù)領(lǐng)域開辟了新的途徑，為交通和航空航天應(yīng)用中輕質(zhì)、類似裝甲的防護(hù)材料的發(fā)展提供了巨大的希望。相關(guān)研究工作以“Ultra-Stiff yet Super-Elastic Graphene Aerogels by Topological Cellular Hierarchy”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

研究者通過設(shè)計一種分層拓?fù)涞睦w維素石墨烯氣凝膠（TCGAs），有效解決了高剛度和超彈性之間的矛盾。采用3D自約束氣泡技術(shù)，將厚細(xì)胞壁轉(zhuǎn)變?yōu)榉涓C狀石墨烯氣凝膠中具有納米壁的巨大波紋孔。這些超薄納米壁促進(jìn)了沿平面外方向的大彈性屈曲變形，從而顯著提升了機械可恢復(fù)性。

實驗結(jié)果和理論分析表明，巨大的波紋孔不僅增強了承載能力，還減輕了拓?fù)鋯卧薪涌p處的應(yīng)力集中，這使得TCGAs具有高效率（12MPa）和出色的可回收性（90%）。此外，該高剛性氣凝膠在10000次疲勞循環(huán)后保持高達(dá)60%的可恢復(fù)性，且沒有結(jié)構(gòu)失效，性能超越了之前報道的碳基氣凝膠、單塊和微/納米晶格。這種高強度且超彈性的TCGA有助于卓越的能量耗散，疲勞會影響能量吸收性能。概念上，TCGA夾層在高速（≈200m·s-1）彈道沖擊防護(hù)中的應(yīng)用，實現(xiàn)了非凡的防彈性能。

圖1. 具有拓?fù)鋯卧Y(jié)構(gòu)的超硬和超彈性石墨烯氣凝膠的制備。（A） 通過石墨烯蜂窩框架內(nèi)的3D自約束鼓泡制造拓?fù)浞涓C分層結(jié)構(gòu)的示意圖；（B-E） TCGA分層結(jié)構(gòu)的SEM和HR-TEM圖像；（F） 超硬TCGA可以支撐高達(dá)≈3000倍重量而不會變形；（G） 本研究的氣凝膠和已報道的碳基氣凝膠的回收速度比較；（H） TCGA和報告的碳基多孔材料的機械剛度與恢復(fù)率的阿什比圖。

圖2. 薄壁多孔材料的彈性變形機理。（A） 彎曲變形過程中撓度和最大拉伸應(yīng)變之間的關(guān)系；（B） 厚石墨烯薄膜和薄石墨烯薄膜的原位彎曲試驗；（C， D）原位SEM圖像顯示了FDGA和TCGA在壓縮釋放循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)變化。

圖3. 單個拓?fù)鋯卧牧W(xué)行為。（A） 經(jīng)典單元和拓?fù)鋯卧挠邢拊Ｐ?；?0%壓縮應(yīng)變下，經(jīng)典單元和拓?fù)鋯卧豖Y平面（B）和XZ平面（C）的實驗壓縮載荷位移；（D） 在60%壓縮過程中，單元的應(yīng)力分布與微觀結(jié)構(gòu)演變；（E） 兩個單元在60%壓縮下的歸一化應(yīng)力分布，揭示了拓?fù)鋯卧獌?yōu)越的載荷耗散能力；（F） 波紋電池的微孔尺寸與內(nèi)部同軸六邊形電池的宏觀電池尺寸；（G） 拓?fù)鋯卧cr微孔/r宏單元沿兩個幾何方向的最大彈性變形能力。

圖4. TCGAs的機械性能。（A） TCGA和FDGA在密度90mg·cm-3下的壓縮應(yīng)變-應(yīng)力曲線；（B） TCGA和FDGA在不同密度下的楊氏模量比較；（C） TCGA和FDGA的壁厚與密度的關(guān)系；（D） TCGA在60%應(yīng)變下10000次循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（E） TCGA在60%應(yīng)變下10000次循環(huán)的應(yīng)力保持和塑性變形。

圖5. TCGAs的抗沖擊和防彈性能。（A） 可逆高抗沖擊結(jié)構(gòu)的設(shè)計。環(huán)氧板作為骨架層，GA作為緩沖層吸收能量；（B） 在100次沖擊循環(huán)中，純環(huán)氧樹脂和不同GA三明治的能量吸收變化；（C） 在100次沖擊循環(huán)后，純環(huán)氧樹脂和不同GA三明治的沖擊力-時間曲線；（D） 100次沖擊循環(huán)期間的能量吸收效率；（E） 彈道沖擊試驗示意圖；（G） TCGA夾層的彈道能量吸收，幾乎是環(huán)氧樹脂的兩倍。

總之，這項研究開發(fā)了一種輕質(zhì)氣凝膠的拓?fù)鋯卧獙哟谓Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了超剛性和超彈性。實驗數(shù)據(jù)和模型驗證證實了納米壁的屈曲彈性和波紋孔的強化效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁厚度低于100nm是實現(xiàn)高可回收性的前提。所制備TCGAs表現(xiàn)出12MPa的高硬度和90%的卓越可回收性，超過了先前報道的輕質(zhì)碳基多孔材料。進(jìn)一步證明了，TCGA作為一種高效緩沖層，以≈90%的穩(wěn)定能量吸收效率抵抗100多次重復(fù)沖擊。TCGA還有助于提高超常規(guī)彈道阻力，阻擋高速彈丸（200m·s-1），并在工程防護(hù)材料方面顯示出巨大的潛力。這種新的拓?fù)鋯卧獙哟谓Y(jié)構(gòu)為開發(fā)高強度和超彈性結(jié)構(gòu)氣凝膠開辟了新途徑，滿足了各種應(yīng)用中的實際需求。