Bioinspired strong and rigid fusion-spun graphene fibers for harsh robotics

材料科学 复合材料 抗弯刚度 石墨烯 极限抗拉强度 凯夫拉 纺纱 刚度(电磁) 弯曲 芳纶 机器人学 纤维 纳米技术 合成纤维 抗弯刚度 软机器人 卷曲 千分尺 拉伸试验 刚度 热塑性聚氨酯 模数 超材料 纳米孔 人工肌肉 平面的 复合数 比强度 碳纳米管 之字形的 杨氏模量
作者
Yiwei Zhang,Senping Liu,Dan Chang,Bo Wang,Xin Ming,Jiahao Lu,L. N. Wang,Peng Li,Chendong Ge,Yue Gao,Yingjun Liu,Zhen Xu,Chao Gao
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:12 (36): eaeg6444-eaeg6444
标识
DOI:10.1126/sciadv.aeg6444
摘要

High-performance fibers with the merits of lightweight and high strength are indispensable to modern industry. However, the performance trade-off between tensile strength and bending rigidity limits their more applicational possibilities as structural materials. Inspired by the hierarchical assembly of biomaterials, we exploit graphene fibers through multiscale fusion spinning of gel fiber bundles with an unprecedented synergy of high tensile strength of 3.0 gigapascal and bending rigidity reaching 1.6 × 10 6 newtons per square micrometer for a 100-micrometer-thick fiber (more than 10 4 times higher than Kevlar fibers). Continuous fusion–induced defect suppression produces thick fibers with homogeneous ordering and performance. These fibers also exhibit exceptional thermal and electrical conductivities, showing their potential as structure-function integrated materials. The fibers are used as wing veins, feet, or claws of robots, resisting extreme conditions including wind speed from 0 to 7 Beaufort scale, pH from 0 to 14, and temperature from 4 to 2000 kelvin. These results promise structural materials design, bionic functions, and robotics in harsh environments.
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