我国超强碳纳米管纤维研究获重大突破
2018-05-17
近日，清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学航空航天学院李希德教授团队合作，在超长碳纳米管纤维领域取得重大突破，在国际上首次报道单根碳纳米管理论强度极长的纤维。 碳纳米管束的抗拉强度超过目前发现的所有其他纤维材料。
碳纳米管被认为是目前发现的最强大的材料之一，其抗拉强度超过100 GPa，超过碳纤维强度的10倍。 然而，将单个具有优异力学性能的碳纳米管制备成宏观材料时，其性能往往远低于理论值。 相比之下，超长碳纳米管长度达厘米甚至分米，且结构完美，取向均匀，力学性能接近理论极限，在制备超强纤维方面具有巨大优势。
研究团队利用原位气流聚焦方法，可以控制制备出成分明确、结构完美、平行排列的厘米级连续超长碳纳米管，并巧妙地避开了限制因素。 通过制备含有不同单元数的超长碳纳米管束，定量分析其组成对超长碳纳米管束力学性能的影响，建立了物理/数学模型。
研究发现，管束中碳纳米管的初始应力分布并不均匀，使得管束中的碳纳米管不能同时受到均匀的力，进而导致整体强度的下降，即“丹尼尔效应”。 基于此，研究团队提出了一种“同步松弛”策略，通过纳米操控的方式释放管束中碳纳米管的初始应力，使其处于一个较窄的范围内分布，从而提高碳纳米管梁的拉伸强度 提高到80GPa以上，接近单根碳纳米管的拉伸强度。
该工作揭示了利用超长碳纳米管制造超级纤维的美好前景，同时为新型超级纤维的开发指出了方向和方法。
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