基于几何模板技术的超轻高强度肥皂膜，由溶致液晶氧化石墨烯/聚合物复合材料制成

《Advanced Functional Materials》：Geometrically Templated, Ultra-Lightweight and High Strength Soap Films from Lyotropic Liquid Crystalline Graphene Oxide/Polymer Composites

壳状材料通过蘸涂液态结晶石墨烯氧化物/PVA复合薄膜在拓扑表面框架上自组装形成，利用表面张力调控GO片层定向排列，实现轻质（等效密度0.063 g/cm3）、高强度（384.30 Nm/kg）、高能量吸收（1.59 kJ/kg）的复合结构。

　　壳ular材料是一种新型的轻质高强结构材料，其灵感来源于自然界中如木材、骨骼、软木和贝壳等具有周期性相互连接孔隙的结构。这些材料因其低密度和高比强度而受到广泛关注，但传统结构中由于结构的细长边缘和较低的连通性，容易发生屈曲、断裂或坍塌。为了解决这一问题，研究团队提出了一种创新的制造方法，通过将原始三重周期极小曲面（TPMS）的线框浸入含有液晶性石墨烯氧化物（GO）纳米片与聚合物混合的水溶液中，利用表面张力的作用，使GO纳米片在干燥过程中按照特定的方向排列，形成具有连续曲率的壳ular结构。

这种方法的实施过程类似于泡沫在金属框架上的形成。通过一个简单的一步法浸涂过程，研究人员能够制造出一种具有连续薄壳的壳ular TPMS结构。在干燥过程中，GO纳米片会根据蒸发速率的变化进行定向排列，从而在材料内部形成有序的结构。这种结构在保持轻量化的同时，表现出优异的机械性能，包括高刚度、高强度和良好的能量吸收能力。与传统的碳纳米管（CNT）结构相比，这种壳ular材料不仅具有相似的能量吸收率，还表现出更低的等效密度。

在实验过程中，研究人员通过调整线框的网格密度，可以控制壳ular结构的机械响应，使其从以框架为主的结构转变为以薄膜为主的结构。这种调控机制使得材料的刚度、强度和韧性可以被灵活设计，以满足不同应用场景的需求。当网格密度较小时，壳ular结构主要由薄膜主导，表现出更高的机械强度和能量吸收能力，同时保持较低的密度。这种特性使其在汽车碰撞安全、航空航天冲击防护和人体防护等领域具有广泛的应用前景。

此外，研究人员还发现，GO纳米片在液晶相中的排列对其机械性能具有重要影响。在液态晶体（LC）相中，GO纳米片可以形成长程有序的结构，从而有效引导能量的耗散。这种预排列过程是通过外部刺激（如干燥）实现的，能够减少材料在受到冲击时的弹性畸变能量，从而防止裂纹的产生并增强整体性能。研究还表明，通过不同的模板几何形状（如三角形、方形和圆形），可以进一步优化GO纳米片的排列方向和结构特性，从而提高材料的性能。

为了验证壳ular材料的机械性能，研究人员进行了多种测试，包括拉伸、压缩和动态冲击测试。测试结果显示，壳ular结构在受到冲击时能够有效吸收能量，并且其能量吸收率远高于传统的聚合物泡沫和碳纳米管结构。例如，在特定的测试条件下，壳ular结构的比能量吸收能力达到了1.59 kJ/kg，而传统材料的比能量吸收能力仅为0.0495 kJ/kg。这一发现表明，壳ular材料在轻质高强结构材料领域具有显著优势。

研究人员还通过有限元分析（FEA）进一步探讨了壳ular结构的力学行为。FEA模拟显示，表面张力在材料制造过程中对GO纳米片的排列起着关键作用，使得材料在受到外力时能够均匀分布应力，延缓局部失效的发生。同时，通过调整模板的几何形状和GO纳米片的排列方向，可以进一步优化材料的力学性能，使其在不同的应用场景中表现出最佳的适应性。

在实际应用方面，研究人员设计了一种用于汽车保险杠的壳ular结构，并通过小型车辆碰撞测试验证了其性能。测试结果显示，配备壳ular结构的车辆在碰撞过程中能够有效吸收动能，减少对车辆和乘客的冲击力。这一结果为壳ular材料在实际工程中的应用提供了有力的支持。

壳ular材料的制造过程具有显著的优势，包括其简单性、可扩展性和低成本。与传统的电子束熔融（EBM）或选择性激光熔融（SLM）等复杂制造方法相比，这种基于浸涂的方法更加高效且易于控制。此外，研究团队还探讨了其他GO基纳米复合材料在壳ular结构中的应用，例如水性聚氨酯（WPU）和明胶基材料，这些材料同样表现出优异的性能，进一步拓展了壳ular材料的应用范围。

总的来说，壳ular材料的开发不仅为轻质高强结构材料提供了新的思路，还展示了其在能量吸收和冲击防护方面的巨大潜力。通过调控材料的几何结构和GO纳米片的排列方向，可以实现对材料性能的精确控制，使其在多种应用场景中表现出色。这一研究为未来设计和制造具有广泛应用价值的轻质结构材料提供了重要的理论和技术支持。