拉伸强度超过80GPa的超强碳纳米纤维问世
发表时间:2018-05-29     发表评论

  高强度纤维在工业领域有着极为广阔的应用前景,例如可用于高性能运动器材、防弹衣、大飞机、大型运载火箭、超级建筑等。

  

 

  碳纳米管被认为是目前发现的强度最高的材料之一,其拉伸强度高达100GPa以上(比强度高达62.5GPa/(g/cm3)),是T1000碳纤维的10倍以上。理论计算研究表明,碳纳米管是目前唯一可能帮助人类实现太空电梯梦想的材料。

  

 

  然而,当单根力学性能优异的碳纳米管制备成宏观材料时,其性能往往远低于理论值。主要原因是形成纤维的碳纳米管均长度较短,单元体之间以范德华力相互搭接,在拉力作用下极易发生相互滑移,无法充分利用碳纳米管的本征高强度。此外,碳纳米管内的结构缺陷和杂乱取向等都会导致纤维强度下降。

  鉴于此,清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学航天航空学院李喜德教授团队合作,研发了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束,其拉伸强度超越了目前发现的所有其它纤维材料。该超长碳纳米管管束具有厘米甚至分米长度并且具有完美结构,一致的取向和接近理论极限的力学性能。

  

 

  超长碳纳米管管束的制备及结构表征

  该研究团队采用原位气流聚焦方法,可控地制备了具有确定组成、结构完美且平行排列的厘米级连续超长碳纳米管管束,巧妙地避免了上述限制因素。在制备过程中,由于气流的原位聚焦(GFF)效应,相邻的碳纳米管受彼此间的范德华力而逐渐聚集成束,而且,气流直接引导了超长碳纳米管的取向。

  

 

  超长碳纳米管/管束的拉曼光谱

  研究团队制备了含有不同数量单元的超长碳纳米管管束,并定量分析了其组成和结构对超长碳纳米管管束力学性能的影响,建立了确定的物理/数学模型。研究发现,管束中碳纳米管的初始应力分布不均匀,使得其中的碳纳米管无法同步均匀受力,进而导致了整体强度的下降,亦即“丹尼尔效应”。

  

 

  碳纳米管束的同步收紧和松弛处理

  因此,该研究团队提出了一种“同步张弛”(STR)的策略,通过收紧和释放碳纳米管管束几次,碳纳米管的初始应力得到释放,进而处于一个较窄的分布范围。此方法可以将碳纳米管管束的拉伸强度提高到80GPa以上,接近单根碳纳米管的拉伸强度。模型计算表明,对于含有无限数量的此类超长碳纳米管形成的管束而言,在保证其长度连续、结构完美、取向一致以及初始应力分布均匀的前提下,其拉伸强度仍可逼近单根强度。

  

 

  超长碳纳米管束的强度

  这是在超强碳纳米管纤维领域取得的一次重大突破,相关论文《Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa》已于5月14日在线发表于纳米领域国际顶级学术期刊《Nature Nanotechnology》上。

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稿件来源:清华新闻网
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