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(shí)含有本征孔和鉸鏈鍵的三維孔片網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?。他們通過引入鉸鏈鍵力場參數(shù)和孔片比特征幾何量，借助粗粒化動(dòng)力學(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。

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(shí)的介觀動(dòng)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)。

研究人員借助孔片網(wǎng)絡(luò)，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(dòng)態(tài)分析的方式揭示了局部微結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(dòng)畫可從官網(wǎng)直接下載）。另外，研究人員還進(jìn)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(shí)多孔泡沫進(jìn)行了系統(tǒng)的比較分析，發(fā)現(xiàn)這種全新的線團(tuán)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(shí)的泡沫體系，這從理論上告訴實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)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(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；同時(shí)，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(diǎn)，該轉(zhuǎn)變點(diǎn)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》（ACSNano,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(jìn)杰出技術(shù)人才計(jì)劃”項(xiàng)目的資助。