气石墨(Aerographite):密度最低的固体材料,只有空气的1/7

气石墨(Aerographite)是一种合成泡沫材料,由管状碳的多孔互连网络组成,它的密度只有180g/m3,只有空气密度的1/7,是迄今为止最轻的结构材料之一。它是由德国基尔大学和汉堡工业大学的研究团队联合开发的,并于2012年6月在科学期刊上首次报道。

气石墨(Aerographite)的密度只有空气的七分之一
气石墨(Aerographite)的密度只有空气的七分之一

结构与性能

气石墨由无缝互连的碳管网络组成,碳管的直径为微米级,壁厚约为15nm。由于相对较低的曲率和较大的壁厚,这些壁不同于碳纳米管的类石墨烯壳,并且在性质上类似于玻璃碳。这些壁通常是不连续的,并包含褶皱区域,可提高气石墨的弹性性能。

由于其互连的管状网络结构,气石墨比其他碳泡沫以及二氧化硅气凝胶拥有更强的抗拉力。它能承受广泛的弹性变形并具有非常低的泊松比。3毫米高的气石墨样品被压缩至0.1毫米后可以完全恢复形状。

气石墨(Aerographite)的微观结构
气石墨(Aerographite)的微观结构

其极限拉伸强度取决于材料密度,在8.5mg/cm3时约为160kPa,在0.18mg/cm3时约为1kPa;相比之下,最强的二氧化硅气凝胶在100mg/cm3下的UTS为16kPa。杨氏模量约为0.2mg/cm3拉伸时为15kPa,但压缩时低得多,从0.2mg/cm3时的1kPa增加到15mg/cm3时的7kPa。

气石墨具有超疏水性,因此其厘米大小的样品可以排斥水;它们对静电效应也相当敏感,并会自发地跳到带电物体上。

气石墨中的碳键具有sp2特征。在外部压缩时,电导率随着材料密度的增加,从0.18mg/cm3时的约0.2S/m增加到0.2mg/cm3时的0.8S/m。较致密的材料的电导率较高,在50mg/cm3时为37S/m。

合成方法

气石墨是使用ZnO模板通过化学气相沉积法生产的。该模板由微米厚的棒组成,通常呈多足形状,可以通过混合相当数量的锌和聚乙烯醇缩丁醛粉末并将混合物在900°C下加热来合成。气石墨的合成在约760°C的氩气流下进行,并向其中注入甲苯蒸气作为碳源。在ZnO上沉积一层薄薄​​的(约15nm)不连续碳层,然后通过向反应室中添加氢气将其蚀刻掉。因此,剩余的碳网络紧密地遵循原始ZnO模板的形态。特别是,气石墨网络的节点源自氧化锌多脚的关节。

气石墨(Aerographite)的微观结构
气石墨(Aerographite)的微观结构

应用价值

气石墨电极已在双电层电容器(EDLC,也称为超级电容器)中进行了测试,并经受住了与加载-卸载循环和电解质结晶(溶剂蒸发时发生)相关的机械冲击。它们的比能量为1.25Wh/kg,与碳纳米管电极的比能量(~2.3Wh/kg)相当。

由于气石墨既黑又轻,因此可以用来做太阳帆材料。模拟表明,质量在一千克的气石墨太阳帆小型探测器,能够在26天内从地球飞到火星。

此外,如果在距离太阳700万公里的地方(相当于帕克太阳探测器到太阳的最近距离)释放1微米的气石墨粒子,那么太阳风能够将这些粒子加速到2%的光速,也就是6000公里/秒。

浩瀚科普二维码图片

微信扫码关注公众号获取最新消息

原创文章,作者:浩瀚科普网,如若转载,请联系我们:thinkou@126.com 并注明出处:https://www.jsruitu.com/9995

Like (0)
Previous 2024年8月3日 上午7:00
Next 2024年8月3日 上午7:08

相关推荐

微信公众号