許多工程應(yīng)用需求具有多功能機(jī)械性能的輕質(zhì)材料。石墨烯氣凝膠（GAs）已成為潛在的候選材料。但是，目前報(bào)道的GA的機(jī)械強(qiáng)度較差。在這里，我們報(bào)道了一種硼酸鹽交聯(lián)劑輔助的兩步冷凍法，用來合成核-殼結(jié)構(gòu)的GA。大的溫度梯度可以控制冰晶的成核和生長，導(dǎo)致形成密集堆積的核和稀疏堆積的外殼。通過核殼之間連續(xù)分布的機(jī)械負(fù)載，可以賦予這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以高壓縮強(qiáng)度（50％應(yīng)變時(shí)43.43KPa在）和彈性。它可以從70％的應(yīng)變和50％的應(yīng)變下的100次壓縮循環(huán)中完全恢復(fù)。GA還顯示出對電阻的出色壓縮敏感性，這是首次報(bào)道的GA的蠕變抗性，在4 kPa靜態(tài)力和200℃的空氣下殘余應(yīng)力可忽略不計(jì)。形成的核殼GA具有穩(wěn)定的壓電效應(yīng)，超低的熱電導(dǎo)率（0.023 W m
-1K
-1）和出色的電導(dǎo)率（70％應(yīng)變下高達(dá)52.99 S/m）。其獨(dú)特的架構(gòu)及多功能的機(jī)械性能使其有望用于多種應(yīng)用，包括括柔性傳感器，制動器，隔熱材料和電子產(chǎn)品
Figure 1. 通過一步和兩步冷凍法合成Gas的示意圖，及不同合成步驟中GHs和GAs的照片。
Figure 2. （a，b）GA-1和（d，e）GA-2的縱向和橫截面的SEM圖像。（c，f）GA-1和GA-2的不同橫截面區(qū)域。（g，h）分別位于GA-2的核和殼區(qū)域中定向排布的的類六角形細(xì)胞結(jié)構(gòu)。（i）（b，e）中分別標(biāo)出的五個(gè)不同區(qū)域的平均孔面積。
Figure 3. GO薄片、GA-1和GA-2的理化性質(zhì)表征（a）XRD譜圖，（b）拉曼光譜，（c）XPS光譜，和（d）TGA曲線。
Figure 4. GA-2和GA-1的壓縮特性，（a，b）在50％應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線； 插圖：一個(gè)壓縮循環(huán)的實(shí)驗(yàn)快照。（c）強(qiáng)度恢復(fù)率和能量損失系數(shù)。（d）在50％的應(yīng)變下，GA-2在100個(gè)循環(huán)中的總應(yīng)變損失，（e）在不同的應(yīng)變下GA-2的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（f）文獻(xiàn)中報(bào)道的幾種石墨烯多孔材料的極限強(qiáng)度和強(qiáng)度恢復(fù)率；括號中的數(shù)字表示相應(yīng)的應(yīng)變和壓縮循環(huán)。
Figure 5. 通過原位觀察GA-2在50％應(yīng)變下的變化。（a）GA-2在樣品架內(nèi)不同狀態(tài)下的光學(xué)照片。GA-2的（b）殼層和（c）核心區(qū)域不同放大倍數(shù)下的SEM圖像。
Figure 6. GA-2和GA-1在25、100和200°C的溫度下以（a）1 kPa和（b）4 kPa的恒定σ保持30分鐘所得蠕變曲線。
Figure 7. GA-2的機(jī)電性能。（a）在10個(gè)循環(huán)內(nèi)施加不同應(yīng)變下的電阻變化;（b）與GA-1和參考數(shù)據(jù)相比，GA-2的等效電導(dǎo)率-壓縮應(yīng)變曲線。（c）將GA-2重復(fù)壓縮至30％的應(yīng)變達(dá)100個(gè)循環(huán)過程中的壓阻行為。
本研究于2020年由悉尼大學(xué) Yuan Chen和Liyong Tong課題組發(fā)表于Carbon（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.02.057）
原文：Core-shell structured graphene aerogels with multifunctional mechanical, thermal and
electromechanical properties
