石墨烯泡沫，是以準二維石墨烯作為基本組件，以無序堆砌為主要建構方式鉸接而成的三維多孔材料，屬于碳海綿的一種典型形式；其孔洞類型主要包含宏觀結構孔和微觀缺陷孔兩種，尺度上可以小到納米級，大至毫米級。

由于兼備了石墨烯與多孔材料的優點，石墨烯泡沫受到了國內外科技界越來越多的關注。但就已有的大量實驗研究來看，該泡沫優異性能背后的物理機制尚不清楚，準二維石墨烯重組為三維網絡的應力傳遞特性也缺乏理解，石墨烯泡沫受外載時的介觀動力學演化過程更是無法原位再現。在這樣的背景下，近三年來，一些微納米尺度的理論研究也漸次展開。

由于泡沫材料本身的結構復雜性限制了理論研究手段的施展，已有的計算模型皆由完美的石墨烯堆砌而成，而實際石墨烯泡沫是由含有本征缺陷或孔洞的真實石墨片通過化學或物理鉸鏈固結而成的層級多孔結構，這就造成了理論與實驗的嚴重脫節。

近期，中國科學院合肥物質科學研究院先進制造技術研究所仿生機器人與智能材料實驗室研究員王曉杰團隊博士潘斗興與中科院力學研究所博士王超合作，通過細致研究石墨烯泡沫鉸鏈和缺陷的SEM鏡像，在準二維石墨片模型基礎上，成功構建了一種同時含有本征孔和鉸鏈鍵的三維孔片網絡拓撲模型。

他們通過引入鉸鏈鍵力場參數和孔片比特征幾何量，借助粗粒化動力學方法，合理地實現了對擬真實石墨烯泡沫力學行為的有效評估。

圖1：含有本質孔與鉸鏈鍵的孔片拓撲網絡模型，其中，b-I,II是與SEM鏡像的對照圖

研究人員借助孔片網絡（圖1），不僅對各種工況下的單軸超壓縮與回復行為做了系統的預測，還用相關文獻資料中的力學測試數據做了輔助檢驗；在此基礎上，他們用動態分析的方式揭示了局部微結構的動力學演化過程，并結合Virial應力云圖從連續統的角度深入分析了這種擬真實體系的應力傳遞細節（動畫可從官網直接下載）。

另外，研究人員還進一步構建了一種新型的石墨環泡沫，并與完美石墨烯泡沫和擬真實多孔泡沫進行了系統的比較分析，發現這種全新的線團結構和完美的泡沫骨架在超彈性性能，特別是回復行為上皆不如擬真實的泡沫體系，這從理論上告訴實驗工作者，無須擔憂石墨烯泡沫中石墨烯的本征孔洞，而應將工作重點放在調控該泡沫的孔片比以及孔的形態或數目等方面（在材料學上實現“變廢為寶”）。

圖2：超壓縮與回復過程中，局部微結構動力學演化細節及其蘊含的介觀機械互鎖現象

值得指出的是，該研究也發現了泡沫內部有趣的介觀互鎖現象（圖2），并據此對塑性變形和殘余變形從微結構演化機制上做了細致的區分，豐富了連續介質力學的內涵

同時，還發現粗粒鍵平均長度隨外載的變化曲線存在反常的轉變點，該轉變點大約在壓縮應變的70%~80%之間，這從介觀尺度上對超壓縮這一抽象概念做了科學上的定量界定。

潘斗興為論文第一作者兼通訊作者，王超為第二作者，王曉杰為共同通訊作者。

文獻信息：

Pan D, Wang C, Wang X. Graphene Foam: Hole-Flake Network for Uniaxial Supercompression and Recovery Behavior[J]. ACS nano, 2018, 12(11): 11491-11502. MLA