Anomalous elasticity and damping in covalently cross-linked graphene aerogels

气凝胶 石墨烯 材料科学 复合材料 极限抗拉强度 弹性(物理) 纳米力学 弹性模量 纳米技术 原子力显微镜
作者
Martin Šilhavík,Prabhat Kumar,Zahid Ali Zafar,Martin Míšek,Martin Čičala,Marek Piliarik,Jiří Červenka
出处
期刊:Communications physics [Nature Portfolio]
卷期号:5 (1) 被引量:27
标识
DOI:10.1038/s42005-022-00806-5
摘要

Abstract Elasticity in materials is a phenomenon that provides a basis for widespread practical applications in engineering, medicine, and electronics. Most of the conventional materials can withstand only small deformations within the elastic limit, typically below 5% of their original size. Here, we report a graphene aerogel made of covalently cross-linked graphene sheets that exhibits anomalous superelastic behavior up to 92% of compressive and 68% tensile strain. We show that the graphene aerogel has a nonlinear stress-strain characteristic with the compressive and tensile yield strength of 4.5 GPa and 0.6 MPa, respectively. By considering the elastic bending of graphene sheets and buckle folding of pore walls, we develop a quantitative origami model that describes the stress-strain behavior of the aerogel. In addition, we analyze the mechanical oscillations of the graphene aerogel, observing superfast vibration damping within a time scale of 50–250 ns. Our study demonstrates the unusual coexistence of superelasticity and superfast damping within a cellular material with atomically thin pore walls, a phenomenon that does not occur in bulk elastic materials described by Hook’s law.
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