我國科學(xué)家在*碳納米管纖維領(lǐng)域取得重要突破

來源：科技部

碳納米管被認(rèn)為是目前人類發(fā)現(xiàn)的強度zui高的幾種材料之一，其楊氏模量高達(dá)1 TPa以上，拉伸強度高達(dá)100 GPa以上（比強度更是高達(dá)62.5 GPa/(g/cm3)），超過T1000碳纖維強度10倍以上。理論計算表明，碳納米管是目前有可能幫助我們實現(xiàn)太空電梯夢想的材料。如何將一根根碳納米管組裝后仍保持其單根的優(yōu)異力學(xué)性能是制備*纖維必須首先解決的問題。然而，目前已報道的碳納米管纖維的強度只有0.5~8.8 GPa，遠(yuǎn)低于碳納米管理論強度（>100 GPa）。主要原因是形成纖維的碳納米管長度較短，單元體之間以范德華力相互搭接，在拉力作用下極易發(fā)生相互滑移，無法充分利用碳納米管固有的本征高強度。此外，碳納米管內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷、雜亂的取向等都會導(dǎo)致纖維強度的下降。相比之下，超長碳納米管具有厘米甚至分米以上的長度并且具有的結(jié)構(gòu)、一致的取向和接近理論極限的力學(xué)性能，在制備*纖維方面具有巨大的優(yōu)勢。

在國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項的支持下，清華大學(xué)魏飛教授團隊與李喜德教授團隊合作研究，在*碳納米管纖維領(lǐng)域取得突破，在世界上報道了接近單根碳納米管理論強度的超長碳納米管管束的制備。研究團隊通過采用原位氣流聚焦的方法，可控地制備了具有確定組成、結(jié)構(gòu)且平行排列的厘米級連續(xù)超長碳納米管管束，巧妙避免了上述的限制因素。通過制備含有不同數(shù)量單元的超長碳納米管管束，定量分析其組成和結(jié)構(gòu)對超長碳納米管管束力學(xué)性能的影響，建立了確定的物理/數(shù)學(xué)模型。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(yīng)力，使其處于一個較窄的分布范圍，進而可將碳納米管管束的拉伸強度提高到80 GPa以上，接近單根碳納米管的拉伸強度。所報道的超長碳納米管管束拉伸強度優(yōu)于目前發(fā)現(xiàn)的所有其他纖維材料。這項工作揭示了超長碳納米管用于制造*纖維的光明前景，同時為發(fā)展新型*纖維指明了方向和方法。相關(guān)成果于2018年5月14日在線發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上。

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