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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)研究來看，該泡沫優(yōu)異性能背后的物理機(jī)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(jì)算模型皆由完美的石墨烯堆砌而成，而實(shí)際石墨烯泡沫是由含有本征缺陷或孔洞的真實(shí)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(shí)驗(yàn)的嚴(yán)重脫節(jié)。

近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所仿生機(jī)器人與智能材料實(shí)驗(yàn)室研究員王曉杰團(tuán)隊(duì)博士潘斗興與中科院力學(xué)研究所博士王超合作，通過細(xì)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?fù)淠Ｐ汀?/span>

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(shí)現(xiàn)了對擬真實(shí)石墨烯泡沫力學(xué)行為的有效評估。

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(xiàn)資料中的力學(xué)測試數(shù)據(jù)做了輔助檢驗(yàn)；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(shí)體系的應(yīng)力傳遞細(xì)節(jié)（動畫可從官網(wǎng)直接下載）。

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(jī)制上做了細(xì)致的區(qū)分，豐富了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的內(nèi)涵

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。

文獻(xiàn)信息：

Pan D, Wang C, Wang X. Graphene Foam: Hole-Flake Network for Uniaxial Supercompression and Recovery Behavior[J]. ACS nano, 2018, 12(11): 11491-11502. MLA