新材料 | 拉伸強度超過80GPa的超強碳納米纖維問世

2021-01-09 紡織導報
新材料 | 拉伸強度超過80GPa的超強碳納米纖維問世

發表時間：2018/5/28

高強度纖維在工業領域有著極為廣闊的應用前景，例如可用於高性能運動器材、防彈衣、大飛機、大型運載火箭、超級建築等。



碳納米管被認為是目前發現的強度最高的材料之一，其拉伸強度高達100GPa以上（比強度高達62.5GPa/(g/cm3)），是T1000碳纖維的10倍以上。理論計算研究表明，碳納米管是目前唯一可能幫助人類實現太空電梯夢想的材料。



然而，當單根力學性能優異的碳納米管制備成宏觀材料時，其性能往往遠低於理論值。主要原因是形成纖維的碳納米管均長度較短，單元體之間以範德華力相互搭接，在拉力作用下極易發生相互滑移，無法充分利用碳納米管的本徵高強度。此外，碳納米管內的結構缺陷和雜亂取向等都會導致纖維強度下降。

鑑於此，清華大學化工系魏飛教授團隊與清華大學航天航空學院李喜德教授團隊合作，研發了接近單根碳納米管理論強度的超長碳納米管管束，其拉伸強度超越了目前發現的所有其它纖維材料。該超長碳納米管管束具有釐米甚至分米長度並且具有完美結構，一致的取向和接近理論極限的力學性能。


超長碳納米管管束的製備及結構表徵


該研究團隊採用原位氣流聚焦方法，可控地製備了具有確定組成、結構完美且平行排列的釐米級連續超長碳納米管管束，巧妙地避免了上述限制因素。在製備過程中，由於氣流的原位聚焦（GFF）效應，相鄰的碳納米管受彼此間的範德華力而逐漸聚集成束，而且，氣流直接引導了超長碳納米管的取向。


超長碳納米管/管束的拉曼光譜


研究團隊製備了含有不同數量單元的超長碳納米管管束，並定量分析了其組成和結構對超長碳納米管管束力學性能的影響，建立了確定的物理/數學模型。研究發現，管束中碳納米管的初始應力分布不均勻，使得其中的碳納米管無法同步均勻受力，進而導致了整體強度的下降，亦即「丹尼爾效應」。


碳納米管束的同步收緊和鬆弛處理


因此，該研究團隊提出了一種「同步張弛」（STR）的策略，通過收緊和釋放碳納米管管束幾次，碳納米管的初始應力得到釋放，進而處於一個較窄的分布範圍。此方法可以將碳納米管管束的拉伸強度提高到80GPa以上，接近單根碳納米管的拉伸強度。模型計算表明，對於含有無限數量的此類超長碳納米管形成的管束而言，在保證其長度連續、結構完美、取向一致以及初始應力分布均勻的前提下，其拉伸強度仍可逼近單根強度。


超長碳納米管束的強度


這是在超強碳納米管纖維領域取得的一次重大突破，相關論文《Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa》已於5月14日在線發表於納米領域國際頂級學術期刊《Nature Nanotechnology》上。

（來源：清華新聞網）

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