拉伸强度超过80GPa的超强碳纳米纤维问世-百检网

　　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，在超强碳纳米管纤维领域取得重大突破，在世界上首次报道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。
　　
　　对材料**性能的追求一直是人类社会发展的重要推动力之一。材料的力学强度是材料众多性能中被人类*为看重的一种性能。目前已知宏观材料的比强度都远远低于7.5GPa/(g/cm3)，比如钢丝绳为0.05~0.33GPa/(g/cm3)，碳纤维为0.5~3.5GPa/(g/cm3)，高分子纤维为0.28~4.14GPa/(g/cm3)。此外，超强纤维在其他领域也有着*为广阔的应用前景，例如高性能运动器材、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*强的几种材料之一，其杨氏模量高达1TPa以上，拉伸强度高达100GPa以上（比强度高达62.5GPa/(g/cm3)），超过T1000碳纤维强度10倍以上。理论计算研究表明，碳纳米管是目前**可能帮助我们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*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。
　　
　　相比之下，超长碳纳米管具有厘米甚至分米长度并且具有**结构，具有一致取向和接近理论*限的力学性能，在制备超强纤维方面具有巨大的优势。研究团队通过采用原位气流聚焦方法，可控地制备了具有确定组成、结构**且平行排列的厘米级连续超长碳纳米管管束，巧妙避免了上述限制因素。通过制备含有不同数量单元的超长碳纳米管管束，定量分析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，从而使得管束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”。据此，本研究团队提出了一种“同步张弛”的策略，通过纳米操纵来释放管束中碳纳米管的初始应力，使其处于一个较窄的分布范围，从而将碳纳米管管束拉伸强度提高到80GPa以上，接近单根碳纳米管的拉伸强度。数学模型计算结果表明，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**、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。
　　
　　这项工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强纤维的光明前景，同时为发展新型超强纤维指明了方向和方法。该研究工作得到国家自然科学基金委员会和国家重大研究发展计划资助。（中棉行协）

拉伸强度超过80GPa的超强碳纳米纤维问世

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