在這項研究中，在二維石墨烯片的π-π堆疊衍生組裝之后，使用雙曲線定向冷凍策略在沿正交方向的雙溫度梯度下制備顯示負(fù)熱膨脹的 3D 石墨烯超材料 (GM)。作為 3D GM 的基本構(gòu)造元素，石墨烯片顯示異常收縮變形，熱膨脹系數(shù)為 (-6.12 ± 0.28) × 10
-6 。數(shù)值模擬和實驗研究的結(jié)合驗證了異常負(fù)熱膨脹 (NTE) 行為可以有效地傳遞給可擴(kuò)展的 3D GM 候選者，其尺寸超過微尺度的基本 2D 石墨烯片。3D GM 的結(jié)構(gòu)表征的多尺度設(shè)計和優(yōu)化進(jìn)一步實現(xiàn)了 NTE 性能的理想調(diào)節(jié)，NTE 系數(shù)范圍從負(fù)（-7.5±0.65）×10
-6 K
-1 ）到接近零值（ (−0.8 ± 0.25) × 10
−6 K
−1). 這歸因于微觀結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)力/應(yīng)變的 NTE 衍生釋放調(diào)節(jié)，并且 3D GM 表現(xiàn)出高熱穩(wěn)定性，同時在熱機(jī)械耦合條件下保持理想的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性和抗疲勞性。因此，這種3D GM 為保護(hù)皮膚、熱致動器、智能開關(guān)和填料填料等應(yīng)用提供了廣闊的前景。
Fig 1. 單層石墨烯片層中C-C鍵的熱致形變. a) 石墨烯片在不同位置的變形形態(tài)。b,c) C-C鍵在不同加熱條件下的長度變化。d,e) C-C鍵在不同溫度下的角度變化。
Fig 2. 2D石墨烯片的NTE .a) 形態(tài)演化，b) 模擬單層、少層、多層板和組裝電池的比較變形。c,d) C-C 鍵的平均長度和角度。e,f) 每個原子的勢能和層內(nèi)能分別作為溫度的函數(shù)。g,h) 不同層厚度的 NTE 行為和系數(shù)。
Fig 3. 3D GM 設(shè)計和制造。a) 面向雙曲線的 3D GM 的多尺度元結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)造過程示意圖。b,c) 雙向溫度場和梯度以雙曲線方向控制冰的生長。d) 圓柱形轉(zhuǎn)基因樣品的光學(xué)圖像。e) 沿x - y平面的雙曲線微結(jié)構(gòu)。f,g) 石墨烯片的傾斜排列和波紋微觀形態(tài)作為 3D GM 構(gòu)建的基本元素。h) 橫截面年輪狀顯微照片。i) 由不同單元組成的蜂窩網(wǎng)絡(luò)（例如，四邊形、五邊形和六邊形）。j) 組裝石墨烯片作為十層細(xì)胞壁。
Fig 4. 3D GM 制造參數(shù)對 NTE 性能的影響。統(tǒng)計平均 TEC 值受 a) 體積密度、b) EDA 劑量、c) 凍結(jié)溫度、d) 水熱溫度、e) 加熱速率和 f) 凍結(jié)方向的影響。g）獨立式石墨烯片邊界收縮的原位SEM觀察。
Fig 5. NTE 對 GM 壓力的調(diào)節(jié)。a) 用于調(diào)節(jié)施加的機(jī)械壓縮初始應(yīng)力的熱驅(qū)動 GM 裝置示意圖。b) GM 設(shè)備在電動加熱過程中的紅外圖像。c、d）分別在外部熱激發(fā)的調(diào)節(jié)下施加力的多步操作和循環(huán)性能。e) 20% 預(yù)壓應(yīng)變下不同熱驅(qū)動釋放的應(yīng)力。f) 由 30 K 的溫度波動驅(qū)動的不同預(yù)壓縮條件的釋放性能。
相關(guān)研究工作由蘭州大學(xué)Qiangqiang Zhang課題組于2023年在線發(fā)表在《Adv Mater》期刊上，原文：Lightweight 3D Graphene Metamaterials with Tunable Negative Thermal Expansion。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
