近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進制造技術(shù)研究所仿生機器人與智能材料實驗室研究員王曉杰團隊博士潘斗興與中科院力學(xué)研究所博士王超合作，通過細致研究石墨烯泡沫鉸鏈和缺陷的SEM鏡像，在準(zhǔn)二維石墨片模型基礎(chǔ)上，成功構(gòu)建了一種同時含有本征孔和鉸鏈鍵的三維孔片網(wǎng)絡(luò)拓撲模型。他們通過引入鉸鏈鍵力場參數(shù)和孔片比特征幾何量，借助粗?；瘎恿W(xué)方法，合理地實現(xiàn)了對擬真實石墨烯泡沫力學(xué)行為的有效評估。
石墨烯泡沫，是以準(zhǔn)二維石墨烯作為基本組件，以無序堆砌為主要建構(gòu)方式鉸接而成的三維多孔材料，屬于碳海綿的一種典型形式；其孔洞類型主要包含宏觀結(jié)構(gòu)孔和微觀缺陷孔兩種，尺度上可以小到納米級，大至毫米級。由于兼?zhèn)淞耸┡c多孔材料的優(yōu)點，石墨烯泡沫受到了國內(nèi)外科技界越來越多的關(guān)注。但就已有的大量實驗研究來看，該泡沫優(yōu)異性能背后的物理機制尚不清楚，準(zhǔn)二維石墨烯重組為三維網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力傳遞特性也缺乏理解，石墨烯泡沫受外載時的介觀動力學(xué)演化過程更是無法原位再現(xiàn)。在這樣的背景下，近三年來，一些微納米尺度的理論研究也漸次展開。
由于泡沫材料本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性限制了理論研究手段的施展，已有的計算模型皆由完美的石墨烯堆砌而成，而實際石墨烯泡沫是由含有本征缺陷或孔洞的真實石墨片通過化學(xué)或物理鉸鏈固結(jié)而成的層級多孔結(jié)構(gòu)，這就造成了理論與實驗的嚴(yán)重脫節(jié)。
研究人員借助孔片網(wǎng)絡(luò)（圖1），不僅對各種工況下的單軸超壓縮與回復(fù)行為做了系統(tǒng)的預(yù)測，還用相關(guān)文獻資料中的力學(xué)測試數(shù)據(jù)做了輔助檢驗；在此基礎(chǔ)上，他們用動態(tài)分析的方式揭示了局部微結(jié)構(gòu)的動力學(xué)演化過程，并結(jié)合Virial應(yīng)力云圖從連續(xù)統(tǒng)的角度深入分析了這種擬真實體系的應(yīng)力傳遞細節(jié)（動畫可從官網(wǎng)直接下載）。另外，研究人員還進一步構(gòu)建了一種新型的石墨環(huán)泡沫，并與完美石墨烯泡沫和擬真實多孔泡沫進行了系統(tǒng)的比較分析，發(fā)現(xiàn)這種全新的線團結(jié)構(gòu)和完美的泡沫骨架在超彈性性能，特別是回復(fù)行為上皆不如擬真實的泡沫體系，這從理論上告訴實驗工作者，無須擔(dān)憂石墨烯泡沫中石墨烯的本征孔洞，而應(yīng)將工作重點放在調(diào)控該泡沫的孔片比以及孔的形態(tài)或數(shù)目等方面（在材料學(xué)上實現(xiàn)“變廢為寶”）。值得指出的是，該研究也發(fā)現(xiàn)了泡沫內(nèi)部有趣的介觀互鎖現(xiàn)象（圖2），并據(jù)此對塑性變形和殘余變形從微結(jié)構(gòu)演化機制上做了細致的區(qū)分，豐富了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的內(nèi)涵；同時，還發(fā)現(xiàn)粗粒鍵平均長度隨外載的變化曲線存在反常的轉(zhuǎn)變點，該轉(zhuǎn)變點大約在壓縮應(yīng)變的70%~80%之間，這從介觀尺度上對超壓縮這一抽象概念做了科學(xué)上的定量界定。
相關(guān)研究成果發(fā)表在近期微納領(lǐng)域國際期刊《納米》（ACS Nano, 2018, 12 （11）， 11491–11502）上。潘斗興為論文第一作者兼通訊作者，王超為第二作者，王曉杰為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金和中科院“引進杰出技術(shù)人才計劃”項目的資助。
圖1：含有本質(zhì)孔與鉸鏈鍵的孔片拓撲網(wǎng)絡(luò)模型，其中，b-I,II是與SEM鏡像的對照圖
圖2：超壓縮與回復(fù)過程中，局部微結(jié)構(gòu)動力學(xué)演化細節(jié)及其蘊含的介觀機械互鎖現(xiàn)象
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