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)合驗證了異常負熱膨脹 (NTE) 行為可以有效地傳遞給可擴展的 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)化進一步實現(xiàn)了 NTE 性能的理想調(diào)節(jié)，NTE 系數(shù)范圍從負（-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
