宾夕法尼亚大学杨澍教授AFM：超轻、高强度肥皂膜结构材料

自然界中的多孔固体材料（如木材、骨骼、软木等）因其低密度和高比强度而备受关注。然而，传统多孔结构因其纤细的支柱和低连通性，容易发生屈曲、断裂或坍塌。近年来，三重周期极小曲面（TPMS）结构因其各向同性的力学性能和低弯曲能量而成为理想的结构单元，尤其是当其转化为薄壳结构（shellular）时，表现出更优异的负载和能量耗散能力。然而，传统增材制造方法难以制备具有光滑连续曲面的超薄壳结构，且过程能耗高、易引入缺陷。

近日，美国宾夕法尼亚大学杨澍教授研究团队开发出一种基于液晶氧化石墨烯（GO）/聚合物复合材料的超轻、高强度肥皂薄膜结构材料。团队通过浸涂法在3D打印的TPMS框架上涂覆GO/PVA水溶液，利用表面张力引导薄膜形成极小曲面，并在干燥过程中通过应力诱导GO纳米片定向排列，最终获得具有优异力学性能和能量吸收能力的壳结构材料。该材料在极低密度（0.063 g/cm³）下展现出卓越的比强度（384.30 Nm/kg）和比能量吸收（1.59 kJ/kg），性能媲美碳纳米管基材料，且制备方法简单、成本低、可扩展性强。相关论文以“ Geometrically Templated, Ultra-Lightweight and High Strength Soap Films from Lyotropic Liquid Crystalline Graphene Oxide/Polymer Composites ”为题，发表在Advanced Functional Materials 上，论文第一作者为Chi Yinding。

研究团队首先通过浸涂法在3D打印的三角形、方形等多边形框架上制备PVA/GO肥皂膜（图1a–b）。在干燥过程中，表面张力使薄膜形成光滑曲面，GO纳米片在应力作用下沿蒸发梯度定向排列（图1b）。SEM图像显示干燥后的薄膜厚度约为15 μm，并保持连续曲面（图1c–d）。力学测试表明，涂覆PVA/GO膜的TPMS结构可承受约自身重量10,000倍的负载（图1e–h），远优于未涂覆或仅涂PVA的框架。

图1. a,b) 浸涂法制备PVA/GO涂覆壳结构P表面的示意图（a）及干燥过程中GO纳米片组装过程（b）。比例尺：5 mm。 c) 涂覆在框架上的PVA/GO肥皂膜局部放大图，显示光滑曲面。比例尺：1 mm。 d) 从菱形框架上剥离的干燥PVA/GO薄膜侧视SEM图像，显示连续曲面。 e–g) 涂覆与未涂覆PVA和PVA/GO肥皂膜的2×2 Schwarz P表面的负载能力对比。比例尺：5 mm。 h) 涂有PVA/GO膜的超轻2×2 P表面置于PVAc塑料气球上并支撑保龄球的照片。比例尺：5 cm。

为进一步探究GO排列机制，团队选用三角形框架进行研究（图2a）。SEM图像显示在框架顶点附近，GO纳米片沿角平分线垂直方向形成有序堆叠和微褶皱（图2b），而中心区域因无边界约束呈现无序结构（图2c）。有限元分析（FEA）模拟了干燥过程中的应力分布，证实GO沿最大主应力方向排列（图2d）。偏振拉曼光谱进一步定量分析了GO的空间取向（图3a–e），显示在边缘区域GO片层沿厚度方向堆叠，而中心区域取向随机。偏振光学显微镜（POM）图像也验证了不同几何模板下GO的排列差异（图2e–f）。

力学性能测试表明，PVA/GO肥皂膜表现出优异的拉伸强度（95 MPa）、杨氏模量（2.47 GPa）和韧性（15 MJ/m³），显著优于浇铸薄膜和纯PVA膜（图2g–h）。这些性能提升归因于GO的固有刚度及其在应力下的重新取向能力，能有效耗散能量并抑制裂纹扩展。

图2. a) 干燥后三角形框架上的PVA/GO肥皂膜光学图像。比例尺：4 mm。 b,c) 三角形模板顶点附近（b）和中心区域（c）的干燥PVA/GO膜SEM图像，包括顶视（i）和截面（ii）视图。 d) 肥皂膜中拉伸应力分布的FEA结果，蓝色箭头表示最大主应力方向与GO排列方向一致。 e,f) 干燥三角形（e）和方形（f）PVA/GO肥皂膜在不同偏振角下的偏振光显微镜图像。比例尺：4 mm。 g) PVA/GO与PVA肥皂膜及浇铸膜的拉伸应力-应变曲线。 h) PVA/GO与PVA肥皂膜及浇铸膜的强度、杨氏模量和韧性对比。

团队进一步将PVA/GO膜涂覆于不同网格密度的TPMS框架上（图4a–f）。压缩测试显示，在低网格密度（如Diamond-Triangle细分）下，薄膜主导力学响应，比强度、刚度和韧性均显著提升（图4g–i）。而在高网格密度下，框架主导响应，薄膜增强效果有限。通过调控框架与薄膜的质量比，可实现从框架主导到薄膜主导的力学行为转变。

图3. a) 拉曼光谱中PVA/GO薄膜样品与偏振设置示意图。 b,c) 激光平行于三角形膜面时，边缘（b）和中心（c）区域I₂D随偏振角变化。 d,e) 激光垂直于膜面时，边缘（d）和中心（e）区域I₂D随偏振角变化。

图4. a) 未涂覆肥皂膜的P表面单轴压缩测试光学图像，插图显示三种样品在35%压缩应变下的变形情况。比例尺：10 mm。 b) PVA/GO、PVA涂覆及未涂覆P表面的比压缩应力-应变曲线。 c) 三种样品的比压缩强度和韧性对比。 d–f) Diamond-Triangle（d）、多面体（e）和三角化（f）细分的PVA/GO涂覆P表面光学图像，插图为相同密度和体积的桁架细分模型。比例尺：5 mm。 g–i) 三种细分的比压缩强度（g）、刚度（h）和韧性（i）对比。

为验证其能量吸收能力，团队制备了2×2阵列的DT细分P表面（图5a）。动态冲击测试显示，PVA/GO涂覆结构能有效吸收冲击能量，比能量吸收达1.5963 kJ/kg（图5e–f）。与多种轻质结构材料相比，该材料在低密度下表现出优异的能量吸收性能（图6）。初步碰撞试验中，装有该结构作为保险杠的模型车在碰撞中 dummy 的头部速度和加速度分别降低66%和61%，显示出良好的冲击保护潜力（图5g–j）。

图5. a) PVA/GO涂覆的2×2 DT细分P表面光学图像。比例尺：5 mm。 b,c) 三种2×2 P表面的压缩载荷/重量-位移曲线（b）和比压缩强度（c）。 d) 动态冲击测试装置示意图。 e,f) 冲击力-时间曲线（e）和归一化冲击能量（f）对比。插图：冲击测试中样品的最大变形。 g) 装有TPMS保险杠的缩小版吉普车照片，插图为桁架式TPMS保险杠3D模型。比例尺：4 cm。 h) 碰撞测试中带有与不带有TPMS保险杠的吉普车时序图像。比例尺：4 cm。 i,j) 碰撞测试中 dummy 头部的速度（i）和加速度（j）曲线对比。

图6. 不同微/纳米结构材料的能量吸收体积密度与相对密度Ashby图，包括CNT晶格、金属泡沫、陶瓷纳米晶格等，本研究工作位于图中突出位置。

该研究通过简单的浸涂法成功制备了具有连续曲面和定向排列GO的超轻高强壳结构材料，不仅为设计轻质抗冲击结构提供了新思路，还在建筑外立面、个人防护、能量存储和组织工程等领域展现出广阔应用前景。未来研究将进一步探索其在不同应变率下的响应行为以及可恢复形变能力，以拓展其实际应用范围。

来源：高分子科学前沿

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