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Science | 北京大學(xué)張錦院士、江西省納米技術(shù)研究院張永毅研究員等在超高強度碳納米管纖維研究方面取得重要進展
發(fā)布時間：
2024-06-21
碳納米管具有輕質(zhì)、高強、高模、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等優(yōu)異特性，被認為是新一代高性能纖維的理想組裝基元。然而，受限于碳納米管跨尺度組裝難題，碳納米管纖維的強度仍遠低于其理論強度。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院/材料科學(xué)與工程學(xué)院張錦院士、北京石墨烯研究院蹇木強副研究員、武漢大學(xué)高恩來副教授、中科院力學(xué)所吳先前研究員、中國科學(xué)院蘇州納米所/江西省納米技術(shù)研究院/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張永毅研究員等緊密合作，于2024年6月21日在Science雜志在線發(fā)表了題為“Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa”研究論文。該工作提出一種高動態(tài)強度碳納米管纖維的制備方法，通過引入聚對苯撐苯并二噁唑（PBO）增強碳納米管管間作用、機械訓(xùn)練提高取向性和機械處理提高纖維致密性，獲得了動態(tài)強度高達14 GPa的碳納米管纖維。
論文截圖
圖1 碳納米管纖維的制備、結(jié)構(gòu)與性能。（A）多尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略制備高性能碳納米管纖維；（B-D）碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)表征；（E）碳納米管纖維與其他纖維的力學(xué)性能對比。
研究團隊通過微尺度高速沖擊拉伸實驗深入研究了碳納米管纖維在高應(yīng)變率加載下的力學(xué)行為。隨著應(yīng)變率提高，纖維發(fā)生韌脆失效模式轉(zhuǎn)變，展現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率強化效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)變率約1400 s–1時，纖維動態(tài)強度達14 GPa，超過了現(xiàn)有高性能纖維，表明碳納米管纖維在沖擊防護領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。實驗和模擬結(jié)果表明，碳納米管管間作用、取向性和纖維致密性是纖維力學(xué)性能提升的關(guān)鍵。在高速加載條件下，纖維中碳納米管的斷裂比例更高，纖維斷裂模式從碳納米管管間滑移轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗵技{米管的斷裂，從而賦予纖維優(yōu)異的動態(tài)力學(xué)性能。
圖2 碳納米管纖維的力學(xué)性能。（A）碳納米管纖維在準靜態(tài)加載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（B）碳納米管纖維在準靜態(tài)加載下的拉伸強度、楊氏模量和韌性；（C）不同纖維的比能量吸收和縱波波速對比；（D）碳納米管纖維在高應(yīng)變率加載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（E）不同應(yīng)變率加載下碳納米管纖維的拉伸強度；（F）碳納米管纖維與其他纖維的動態(tài)強度對比；（G）不同應(yīng)變率加載下碳納米管纖維的動態(tài)韌性；（H）激光誘導(dǎo)高速橫向沖擊纖維的示意圖；（I）不同纖維的比能量耗散功率。
江西省納米技術(shù)研究院前身是中國科學(xué)院蘇州納米所南昌研究院，成立于2016年5月，2021年7月更名為江西省納米技術(shù)研究院，是江西省第一家省級新型研發(fā)機構(gòu)，2019年獲批江西省烯碳材料重點實驗室，2023年重組獲批烯碳材料江西省重點實驗室，高性能纖維材料是實驗室重點研發(fā)方向之一，張永毅研究員擔(dān)任該重點實驗室主任。
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