碳气凝胶是目前极少数可在极高温度（2000℃以上）无氧环境下保持力学稳定性的气凝胶材料，在国防、能源及智能传感等方面具有广阔的应用前景，但其脆性限制了其广泛应用。近年来，科研人员以石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米管等柔性纳米结构为基本组成单元，相继开发出了具有一定压缩回弹特性的气凝胶。但其压缩强度普遍偏低（几到几百千帕），承载能力不足。但提高气凝胶的承载能力，往往又伴随着其变形能力的下降。因此，如何破解高承载和大变形之间的矛盾，进一步提升碳气凝胶的综合力学性能，仍是一个巨大的挑战。

近日，西安交通大学材料学院王红洁教授课题组以前期研发的硅基陶瓷气凝胶为模板，将牺牲模板法和化学气相沉积法相结合，研发出了一种由sp2-sp3杂化的柔性碳管组成的、具有高度交联互锁的均匀三维网络结构的层状碳气凝胶。该气凝胶中高度交联互锁的三维网络结构赋予了材料优异的协同变形能力，可有效避免在压缩过程中局部应力集中所导致的结构性破坏；而碳管中局部存在的sp3键则可在一定程度上抑制管壁间由于弱范德华键所造成的相对滑移，进而提高管状结构的稳定性及刚度。因此，该气凝胶材料（密度仅为~12-40 mg/cm3）不仅保持了优异的压缩回弹性（99%压缩应变完全可回弹），还获得了高承载能力（最大压缩应力高于20MPa），以及抗疲劳特性（99%应变循环1000次永久变形小于1.5%），同时还具有超高的耐温特性（2500℃惰性气氛）。这些综合性能使其具备了在极端环境下的应用价值。

该研究成果以“Highly cross-linked carbon tube aerogels with enhanced elasticity and fatigue resistance”为题近日在线发表于《自然通讯》（Nature communications）上。西安交通大学材料学院青年教师庄磊为论文第一作者，王红洁教授为论文通讯作者。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室是该工作的唯一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金（92263204、52102077、 52072294）的支持。

论文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-023-38664-6

碳管气凝胶（CTA）的结构。

碳管气凝胶（CTA）的机械性能。

碳管气凝胶（CTA）的压缩机理。

本研究提出了一种制造高性能CTA的有效方法。高度互连的碳管与sp2-sp3混合键合可实现快速负载转移。结果，CTA具有低密度（~12-40毫克厘米）?3）表现出良好的机械性能，包括高机械强度（8.2-20.9 MPa）、抗压弹性（高达99%应变）和抗疲劳性（在1%应变下，5次压缩循环后永久变形小于1000.99%）。此外，CTA在Ar气氛中具有高达2500°C的高热稳定性。