最近，中国科学技术大学俞书宏院士研究团队和梁海伟教授课题组报道了一种通过热解化学控制，将结构生物材料（BC，即细菌纤维素）热转化为石墨碳纳米纤维气凝胶（CNFAs）的方法。其制备的碳气凝胶完美地继承了细菌纤维素从宏观到微观的层次结构，具有显著的热机械性能。特别是在经历2×106 次压缩循环后仍能保持超弹性而不发生塑性变形，在至少 -100~500℃的大范围温度范围内具有优异的不随温度变化的超弹性和抗疲劳性能。这种气凝胶在热机械稳定性和抗疲劳性能方面比高分子泡沫、金属泡沫和陶瓷泡沫有独特的优势，实现了大规模合成，并具有生物材料的经济优势。相关成果 以“Temperature-Invariant Superelastic and Fatigue ResistantCarbon Nanofiber Aerogels”发表于 Adv. Mater. 期刊上。

（a）CNFAs制造工艺示意图；

（b）纯BC和BC浸渍NH4H2PO4、（NH4）2SO4、NH4Cl、（NH4）3PO4、NaH2PO4或

KH2PO4的TG曲线；

（c）纯BC和BC浸渍不同浓度NH4H2PO4后的TG曲线；

（d）以纯BC和BC为原料，在800 °C下加入不同量的NH4H2PO4炭化制备CNFAs

（NH4H2PO4的重量比分别为0.5、4.8、16、44和62 wt%）；

（e）1200 ℃下制备的CNFAs的密度和导电性；

（f ~g）在800℃下制备的CNFAs照片，展示了其可以大规模制备。

图1、宏观尺寸CNFAs的合成

（a）碳气凝胶在不同放大倍数下的SEM图像，展示了其层次结构；

（b）CNFAs的SEM图像，说明CNFAs完全继承了BC的层次结构。

图2、BC气凝胶和CNFAs的微观结构

（a）CNFAs在90%形变下的压缩应力-应变曲线。插图为放大的压缩应力-应变曲线；

（b~e）b）20%应变时2×106次循环，c）40%应变时1×106次循环，d）60%应变时5×105次循环，e）80%应变时2×104次循环；

（f）CNFAs与报道材料（包括层状碳材料、石墨烯涂层碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶、碳纳米管阵列、PAN-SiO2气凝胶）的抗疲劳性能比较。每一种材料的形变量也被标记出来。

图3、CNFAs的压缩性能和抗疲劳性能

（a~c）形变为20%、40%、60%和80%时CNFAs的压缩应力-应变曲线，温度分别为：a）-100 °C、b）25 °C和c）500 °C；

（d）CNFAs在T = -100-500℃时的粘弹性（储存模量、损耗模量和阻尼比）；

（e）CNFA、三聚氰胺、PU和EPE泡沫的储存模量随温度的变化；

（f）不同温度下CNFAs在1×105次循环中的储存模量和损耗模量。

图4、CNFAs在T = -100~500℃时N2中的热力学稳定的力学性能

【小结】

综上所述，作者开发了一种利用无机盐对细菌纤维素（BC）进行热解化学调控，实现大规模合成、形态保留的碳化工艺。研究发现，制备的 CNFA 较好地继承了 BC 从宏观到微观的层次结构，在较宽的温度范围内表现出明显的不随温度改变超弹性和抗疲劳性能。由于 CNFA 具有优异的热机械性能和可实现扩展合成，因此作者认为，它在各种应用领域都有着巨大的潜力，特别是需要在广阔温度范围内稳定工作的应用领域，如机械缓冲、压力传感器、能量阻尼、航天太阳能电池等。