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由微納結構單元構筑而成的彈性可壓縮宏觀組裝體材料在諸如機械緩沖、柔性器件等領域都展現(xiàn)出極其重要的應用價值。可壓縮性、回彈性和抗疲勞性作為這類材料主要性能指標，直接決定著其實際應用的可靠性。

盡管目前所制備的多種相關材料已經(jīng)可以實現(xiàn)較高水平的可壓縮性，然而絕大多數(shù)材料在高應變情況下的壓縮循環(huán)中，往往由于其內(nèi)部微結構不能有效地適應較大的應力和應變，而發(fā)生永久性的受損折斷，從而導致材料的回彈性能差并伴隨較大的能量損耗，材料的永久性塑性形變以及壓縮應力的顯著降低。因此，對于一種材料來說，這三種性能指標很難兼得，如何實現(xiàn)高壓縮性的同時，還能同時實現(xiàn)其優(yōu)越的彈性和抗疲勞性一直是個亟待解決的難點。

通過觀察日常生活中的常見事物，可以發(fā)現(xiàn)某些宏觀結構提供了解決這些微觀結構問題的新思路。例如，片彈簧結構作為一種機動車拱形彈簧懸掛系統(tǒng)，被廣泛應用于機動車中支撐車軸和吸收振動。人類的拱形足弓不僅起到減少骨骼摩擦和受損的彈性緩沖作用，同時還可以通過彈性變形儲存能量并釋放從而促進我們行走、奔跑和跳躍。這兩種宏觀拱結構具有共同的特征，即優(yōu)越的彈性性能和抗疲勞強度。

在這些宏觀彈性拱結構的啟發(fā)下，中國科學技術大學俞書宏課題組、吳恒安課題組的研究人員設計了一種新型的雙向冷凍技術，將殼聚糖-氧化石墨烯（CS-GO）混合溶液取向冷凍并干燥從而獲得具有層狀結構的CS-GO宏觀組裝體，然后再將其通過高溫碳化處理，依靠碳化過程中CS和GO收縮程度的不同，使原本較為平坦的薄層結構皺縮成所需的層狀微連拱結構。通過進一步構建力學模型，對這一材料的超常性能進行了系統(tǒng)的分析。上述兩步過程的巧妙結合對實現(xiàn)這一特殊多級結構是必不可少的，例如，通過雙向冷凍獲得的取向一致的層狀結構保證了最終材料中所有微拱單元的取向一致性，從而保證所有微拱單元在材料整體受壓變形時同時發(fā)揮彈性功能。

圖1、通過雙向冷凍聯(lián)合熱處理過程獲得碳-石墨烯（C-G）宏觀彈性體材料

(a)材料制備過程示意圖；(b)材料的微觀層狀連拱結構；(c)材料的無定型碳-石墨烯復合組分；(d) 材料在高應變條件下的壓縮應力應變曲線；(e) 高速相機捕捉的該材料快速彈起金屬球的過程；(f,g) 材料的回彈速度(f)和壓縮循環(huán)中能量損耗(g)同其他相關材料的比較。

研究表明，正是基于這種獨特的拱形微結構設計，所制得的材料即使由脆性的構筑組分構成，卻同時具備了高度的可壓縮性（經(jīng)歷90%壓縮應變后完全恢復原狀），如彈簧一樣的超彈性（580 mm/s的回彈速度，遠高于國際已報道材料170 mm/s的最高水平；0.2左右的能量耗散因子，明顯區(qū)別于國際已報道材料0.3~0.8的平均水平），以及卓越的抗疲勞性能（20%應變循環(huán)壓縮10⁶次，50%應變循環(huán)壓縮2.5×10⁵次，或80%應變循環(huán)壓縮10⁴次基本保持結構穩(wěn)定），且這些性能指標相比國際已報道的類似多孔泡沫材料具有突出的優(yōu)勢。

總之，這種受宏觀結構啟發(fā)設計制備微觀結構材料的理念，為設計制備更多的新型結構材料提供重要的指導意義。該成果的另一個啟示是，一些已經(jīng)成熟的宏觀結構力學理論同樣可以用來指導微觀結構材料的設計，有望實現(xiàn)對傳統(tǒng)材料性能的巨大提升。

圖2、材料的機械性能分析及理論模擬

(a) C-G 彈性體薄層之間的鏈接細節(jié)；(b) 理論模擬顯示該材料的結構單位模型薄殼結構在發(fā)生大變形時其內(nèi)部具有很小應變；(c) 分析該結構單元彈性性能的結構模型；(d) 具有不同層厚的C-G 彈性體（藍色）及薄殼模型（紅色）的壓縮應力；(e) 有不同收縮程度的C-G 彈性體（藍色）及不同半徑的薄殼模型（紅色）的壓縮應力；(f) 分析相鄰拱單元之間摩擦情況的結構模型；(g) 理論模擬得到的交錯的拱單元之間相互擠壓時的應力應變曲線；(h) 理論模擬得到的對應(g)中20%應變時模型的能量分布情況。

圖3、具有不同結構的C-G宏觀材料之間機械性能對比

(a-c) 具有三種不同微結構的C-G宏觀材料的壓縮應力應變曲線；(d-f) 具有三種不同微結構的C-G宏觀材料在80%應變壓縮循環(huán)過程中的最大壓縮應力(d)，塑性形變(e)以及能量損耗系數(shù)(f)的變化；(g,h)原位觀察C-G 彈性體被壓縮過程中的微結構變化。

圖4、抗疲勞強度測試

(a-c) C-G 彈性體在不同應變情況下經(jīng)歷不同次數(shù)壓縮循環(huán)過程中的彈性力、塑性形變和能量損耗系數(shù)的變化情況；(d) C-G 彈性體在不同應變情況下經(jīng)歷不同次數(shù)壓縮循環(huán)過程中的應力應變曲線；(e) 阿什比圖表顯示C-G 彈性體與其他相關材料的抗疲勞強度對比。