輕質(zhì)多孔材料（LCMs）因具有高孔隙率和高剛度重量比，在結構工程、能量吸收、隔熱和其他功能領域有著廣泛的應用。高剛性是工程性能的關鍵前提，而彈性可恢復性則關乎結構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性。在高剛度單體中，較厚的壁由于內(nèi)部張力誘導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)的高強度整體式結構在超負荷變形下往往會遭受災難性的破壞和較差的結構耐受性。

結構單元的幾何設計是提升輕質(zhì)材料力學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行彈性屈曲，確保了在大變形下的結構可恢復性。拱形層狀結構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撲結構和從微觀到宏觀的組裝層次結構，設計了微/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)典的拉伸分層結構，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性，斷裂應變通常低于20%。迄今為止，在現(xiàn)有的結構范式中，高效性和結構可恢復性之間的矛盾仍未得到解決。

近日，浙江大學高超教授、高微微副教授、龐凱博士合作報道了一種拓撲單元層次結構，設計用于制造超硬（》10MPa模量）且超彈性（》90%可恢復應變）的石墨烯氣凝膠。這種拓撲蜂窩結構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性，在10000次疲勞循環(huán)中實現(xiàn)了高達60%的應變恢復，且沒有明顯的結構故障，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。這些特性使得拓撲蜂窩狀石墨烯氣凝膠在高能子彈防護領域開辟了新的途徑，為交通和航空航天應用中輕質(zhì)、類似裝甲的防護材料的發(fā)展提供了巨大的希望。相關研究工作以“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。

研究者通過設計一種分層拓撲的纖維素石墨烯氣凝膠（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，將厚細胞壁轉(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性。

實驗結果和理論分析表明，巨大的波紋孔不僅增強了承載能力，還減輕了拓撲單元中接縫處的應力集中，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60%的可恢復性，且沒有結構失效，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）彈道沖擊防護中的應用，實現(xiàn)了非凡的防彈性能。

圖1. 具有拓撲單元結構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自約束鼓泡制造拓撲蜂窩分層結構的示意圖；（B-E） TCGA分層結構的SEM和HR-TEM圖像；（F） 超硬TCGA可以支撐高達≈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變之間的關系；（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)過程中的結構變化。

圖3. 單個拓撲單元的力學行為。（A） 經(jīng)典單元和拓撲單元的有限元模型；在60%壓縮應變下，經(jīng)典單元和拓撲單元沿XY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，單元的應力分布與微觀結構演變；（E） 兩個單元在60%壓縮下的歸一化應力分布，揭示了拓撲單元優(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） 拓撲單元與r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下的壓縮應變-應力曲線；（B） TCGA和FDGA在不同密度下的楊氏模量比較；（C） TCGA和FDGA的壁厚與密度的關系；（D） TCGA在60%應變下10000次循環(huán)的應力-應變曲線；（E） TCGA在60%應變下10000次循環(huán)的應力保持和塑性變形。

圖5. TCGAs的抗沖擊和防彈性能。（A） 可逆高抗沖擊結構的設計。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)氣凝膠的拓撲單元層次結構，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。結果發(fā)現(xiàn)，細胞壁厚度低于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），并在工程防護材料方面顯示出巨大的潛力。這種新的拓撲單元層次結構為開發(fā)高強度和超彈性結構氣凝膠開辟了新途徑，滿足了各種應用中的實際需求。