我国科学家在超强碳纳米管纤维领域取得重要突破

来源:科技部 时间:2018-05-29 09:23

 碳纳米管被认为是目前人类发现的强度最高的几种材料之一,其杨氏模量高达1 TPa以上,拉伸强度高达100 GPa以上(比强度更是高达62.5 GPa/(g/cm3)),超过T1000碳纤维强度10倍以上。理论计算表明,碳纳米管是目前唯一有可能帮助我们实现太空电梯梦想的材料。如何将一根根碳纳米管组装后仍保持其单根的优异力学性能是制备超强纤维必须首先解决的问题。然而,目前已报道的碳纳米管纤维的强度只有0.5~8.8 GPa,远低于碳纳米管理论强度(>100 GPa)。主要原因是形成纤维的碳纳米管长度较短,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固有的本征高强度。此外,碳纳米管内的结构缺陷、杂乱的取向等都会导致纤维强度的下降。相比之下,超长碳纳米管具有厘米甚至分米以上的长度并且具有完美的结构、一致的取向和接近理论极限的力学性能,在制备超强纤维方面具有巨大的优势。

在国家重点研发计划“纳米科技”重点专项的支持下,清华大学魏飞教授团队与李喜德教授团队合作研究,在超强碳纳米管纤维领域取得突破,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的制备。研究团队通过采用原位气流聚焦的方法,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,巧妙避免了上述的限制因素。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。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,进而可将碳纳米管管束的拉伸强度提高到80 GPa以上,接近单根碳纳米管的拉伸强度。所报道的超长碳纳米管管束拉伸强度优于目前发现的所有其他纤维材料。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。相关成果于2018年5月14日在线发表于《自然—纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。