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清华大学在超强碳纳米管纤维领域获重大突破

文章来源: 石油人       发布时间:2018-05-16

碳纳米管是坚硬的,比凯夫拉尔强30倍以上。因为它们只有几个原子厚,但是,这种韧性并不是特别有用。已经尝试将它们捆绑在一起,但没有什么特别成功。单个纳米管通常很短,很难让它们沿相同的方向排列。结果,这些尝试导致捆绑后充满结构缺陷,经常表现比凯夫拉尔差,并且仅有几微米长。近日,清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学航天航空学院李喜德教授团队合作,在超强碳纳米管纤维领域取得重大突破,在世界上首次报道了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束,其拉伸强度超越了目前发现的所有其它纤维材料。相关成果以《拉伸强度超过80GPa的碳纳米管管束》(Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa)为题,于5月14日在线发表于纳米领域国际顶级学术期刊《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。


清华大学在超强碳纳米管纤维领域获重大突破


超长碳纳米管管束的结构制备及力学性能:

a. 碳纳米管管束示意图;

b. 所用到的超长碳纳米管的结构;

c. 利用气流聚焦法制备超长碳纳米管管束的示意图;

d. 超长碳纳米管在聚焦气流下发生合并的模拟图;

e-i. 所制备的具有确定组成的超长碳纳米管管束;

j-k. 所制备的碳纳米管管束的力学性质;

l. 超长碳纳米管管束与其他材料拉伸强度对比图


对材料极致性能的追求一直是人类社会发展的重要推动力之一。材料的力学强度是材料众多性能中被人类极为看重的一种性能。美国航空航天局(NASA)在2005年设置了一个“超强纤维挑战竞赛”(Strong Tether Challenge)并将其作为世纪挑战,希望找到一种比强度(即单位质量强度)高达7.5GPa/(g/cm3)的宏观超强纤维材料。遗憾的是,直到2011年这个竞赛取消这个目标都没能实现。目前已知宏观材料的比强度都远远低于7.5GPa/(g/cm3),比如钢丝绳为0.05——0.33GPa/(g/cm3),碳纤维为0.5——3.5GPa/(g/cm3),高分子纤维为0.28——4.14GPa/(g/cm3)。此外,超强纤维在其他领域也有着极为广阔的应用前景,例如高性能运动器材、防弹衣、大飞机、大型运载火箭、超级建筑等。


碳纳米管被认为是目前发现的最强的几种材料之一,其杨氏模量高达1TPa以上,拉伸强度高达100GPa以上(比强度高达62.5GPa/(g/cm3)),超过T1000碳纤维强度10倍以上。理论计算研究表明,碳纳米管是目前唯一可能帮助我们实现太空电梯梦想的材料。然而,当单根力学性能优异的碳纳米管制备成宏观材料时,其性能往往远低于理论值。例如,已报道的碳纳米管纤维的强度只有0.5——11.5 GPa(比强度0.3——7 GPa/(g/cm3) ),远低于碳纳米管理论强度(>100GPa)。主要原因是形成纤维的碳纳米管均长度较短,单元体之间以范德华力相互搭接,在拉力作用下极易发生相互滑移,无法充分利用碳纳米管的本征高强度。此外,碳纳米管内的结构缺陷和杂乱取向等都会导致纤维强度下降。


相比之下,超长碳纳米管具有厘米甚至分米长度并且具有完美结构,具有一致取向和接近理论极限的力学性能,在制备超强纤维方面具有巨大的优势。研究团队通过采用原位气流聚焦方法,可控地制备了具有确定组成、结构完美且平行排列的厘米级连续超长碳纳米管管束,巧妙避免了上述限制因素。通过制备含有不同数量单元的超长碳纳米管管束,定量分析其组成和结构对超长碳纳米管管束力学性能的影响,建立了确定的物理/数学模型。研究发现,管束中碳纳米管的初始应力分布不均匀,从而使得管束中的碳纳米管无法同步均匀受力,进而导致了整体强度的下降,亦即“丹尼尔效应”。据此,本研究团队提出了一种“同步张弛”的策略,通过纳米操纵来释放管束中碳纳米管的初始应力,使其处于一个较窄的分布范围,从而将碳纳米管管束拉伸强度提高到80GPa以上,接近单根碳纳米管的拉伸强度。数学模型计算结果表明,对于含有无限数量的此类超长碳纳米管形成的管束而言,在保证其长度连续、结构完美、取向一致以及初始应力分布均匀的前提下,其拉伸强度仍可逼近单根强度。


清华大学在超强碳纳米管纤维领域获重大突破


课题主要完成人合影。左起:叶璇、白云祥、魏飞、李喜德、张如范


这项工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强纤维的光明前景,同时为发展新型超强纤维指明了方向和方法。审稿人评价说:“论文作者取得了一个具有里程碑意义的突破性进展,在世界上首次报道了接近单根碳纳米管强度的碳纳米管管束。这项工作具有极其深远的影响力,它无疑会引起世界范围内的广泛关注”。该研究工作得到国家自然科学基金委员会和国家重大研究发展计划资助。


论文共同第一作者为清华大学化工系2016级博士生白云祥、化工系青年教师张如范和航天航空学院力学系2017届博士毕业生叶璇。论文共同通讯作者为清华大学化工系魏飞教授、张如范博士和航天航空学院李喜德教授。


过去十年间,魏飞团队在超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征和应用探索方面开展了大量研究,并取得了一系列重要突破。团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管,并具有完美结构和优异性能,创造了世界纪录。此外,团队首次发现了宏观长度碳纳米管管层间的超润滑现象,并实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵。以上成果相继发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)《自然·通讯》(Nature Communications)《化学会评论》(Chemical Society Reviews)《化学研究评述》(Accounts of Chemical Research)《先进功能材料》(Advanced Materials)《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)《纳米快报》(Nano Letters)等国际期刊上,引起了学术界的广泛关注,为开展超长碳纳米管制备超强纤维打下了基础。航天航空学院李喜德教授团队一直在微纳米力学领域进行研究,在微尺度材料力学性能测量和表征方面开展了大量的研究工作,相关研究成果分别发表在《自然·通讯》(Nature Communication)、《物理评论快报》(Physical Review Letters)、《科学报告》(Scientific Reports)、《纳米技术》(Nanotechnology)、《应用物理学快报》(Applied physics Letters)等国际期刊。


Nature Nanotechnology为自然出版集团旗下的月刊,2017年的影响因子为38.99,在纳米科学与纳米技术类期刊排名第一。


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