Theoretical strength and rubber-like behaviour in micro-sized pyrolytic carbon

材料科学 热解炭 复合材料 延展性(地球科学) 抗压强度 微观结构 脆性 极限抗拉强度 变形(气象学) 石墨烯 碳纤维 热解 化学工程 纳米技术 蠕动 复合数 工程类
作者
Xuan Zhang,Lei Zhong,Arturo J. Mateos,Akira Kudo,Andrey Vyatskikh,Huajian Gao,Julia R. Greer,Xiaoyan Li
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:14 (8): 762-769 被引量:132
标识
DOI:10.1038/s41565-019-0486-y
摘要

The creation of materials with a combination of high strength, substantial deformability and ductility, large elastic limit and low density represents a long-standing challenge, because these properties are, in general, mutually exclusive. Using a combination of two-photon lithography and high-temperature pyrolysis, we have created micro-sized pyrolytic carbon with a tensile strength of 1.60 ± 0.55 GPa, a compressive strength approaching the theoretical limit of ~13.7 GPa, a substantial elastic limit of 20–30% and a low density of ~1.4 g cm−3. This corresponds to a specific compressive strength of 9.79 GPa cm3 g−1, a value that surpasses that of nearly all existing structural materials. Pillars with diameters below 2.3 μm exhibit rubber-like behaviour and sustain a compressive strain of ~50% without catastrophic failure; larger ones exhibit brittle fracture at a strain of ~20%. Large-scale atomistic simulations reveal that this combination of beneficial mechanical properties is enabled by the local deformation of 1 nm curled graphene fragments within the pyrolytic carbon microstructure, the interactions among neighbouring fragments and the presence of covalent carbon–carbon bonds. The combination of two-photon lithography and high-temperature pyrolysis is used to create micro-sized pyrolytic carbon with a compressive strength of 9.79 GPa cm3 g−1. This enables rubber-like behaviour in micropillars, which can sustain compressive strain up to 50%.
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