超強(qiáng)碳納米管纖維拉伸強(qiáng)度超過80GPa

近日，清華大學(xué)化工系魏飛教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)航天航空學(xué)院李喜德教授團(tuán)隊(duì)合作，在超強(qiáng)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(qiáng)度的超長碳納米管管束，其拉伸強(qiáng)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(qiáng)纖維方面具有巨大的優(yōu)勢。該研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)而導(dǎo)致了整體強(qiáng)度的下降，也就是“丹尼爾效應(yīng)”。據(jù)此，該研究團(tuán)隊(duì)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(gè)較窄的分布范圍，從而將碳納米管管束拉伸強(qiáng)度提高到80GPa以上，接近單根碳納米管的拉伸強(qiáng)度。數(shù)學(xué)模型計(jì)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(qiáng)度仍可接近單根強(qiáng)度。