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拉伸強度超過80GPa的超強碳納米纖維問世

作者:百檢網 時間:2021-12-07 來源:互聯網

  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,在超強碳納米管纖維領域取得重大突破,在世界上首次報道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。
  
  對材料**性能的追求一直是人類社會發展的重要推動力之一。材料的力學強度是材料眾多性能中被人類*為看重的一種性能。目前已知宏觀材料的比強度都遠遠低于7.5GPa/(g/cm3),比如鋼絲繩為0.05~0.33GPa/(g/cm3),碳纖維為0.5~3.5GPa/(g/cm3),高分子纖維為0.28~4.14GPa/(g/cm3)。此外,超強纖維在其他領域也有著*為廣闊的應用前景,例如高性能運動器材、防彈衣、大飛機、大型運載火箭、超級建筑等。
  
  碳納米管被認為是目前發現的*強的幾種材料之一,其楊氏模量高達1TPa以上,拉伸強度高達100GPa以上(比強度高達62.5GPa/(g/cm3)),超過T1000碳纖維強度10倍以上。理論計算研究表明,碳納米管是目前**可能幫助我們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,其性能往往遠低于理論值。主要原因是形成纖維的碳納米管均長度較短,單元體之間以范德華力相互搭接,在拉力作用下*易發生相互滑移,無法充分利用碳納米管的本征高強度。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。
  
  相比之下,超長碳納米管具有厘米甚至分米長度并且具有**結構,具有一致取向和接近理論*限的力學性能,在制備超強纖維方面具有巨大的優勢。研究團隊通過采用原位氣流聚焦方法,可控地制備了具有確定組成、結構**且平行排列的厘米級連續超長碳納米管管束,巧妙避免了上述限制因素。通過制備含有不同數量單元的超長碳納米管管束,定量分析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,從而使得管束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”。據此,本研究團隊提出了一種“同步張弛”的策略,通過納米操縱來釋放管束中碳納米管的初始應力,使其處于一個較窄的分布范圍,從而將碳納米管管束拉伸強度提高到80GPa以上,接近單根碳納米管的拉伸強度。數學模型計算結果表明,對于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**、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。
  
  這項工作揭示了超長碳納米管用于制造超強纖維的光明前景,同時為發展新型超強纖維指明了方向和方法。該研究工作得到國家自然科學基金委員會和國家重大研究發展計劃資助。(中棉行協)


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