超強碳納米管纖維拉伸強度超過80GPa

近日，清華大學(xué)化工系魏飛教授團隊與清華大學(xué)航天航空學(xué)院李喜德教授團隊合作，在超強碳納米管纖維領(lǐng)域取得重大突破，在世界上首次制備了接近單根碳納米管理論強度的超長碳納米管管束，其拉伸強度超過80GPa。相關(guān)成果于5月14日在線發(fā)表在納米領(lǐng)域國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然·納米技術(shù)》上。

超長碳納米管具有厘米甚至分米長度并且具有完美的結(jié)構(gòu)，具有一致取向和接近理論極限的力學(xué)性能，在制備超強纖維方面具有巨大的優(yōu)勢。該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(jié)構(gòu)完美且平行排列的厘米級連續(xù)超長碳納米管管束。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。

研究發(fā)現(xiàn)，管束中碳納米管的初始應(yīng)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(dǎo)致了整體強度的下降，也就是“丹尼爾效應(yīng)”。據(jù)此，該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(yīng)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(shù)學(xué)模型計算結(jié)果表明，對于含有無限數(shù)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(xù)、結(jié)構(gòu)完美、取向一致以及初始應(yīng)力分布均勻的前提下，其拉伸強度仍可接近單根強度。