北京大學張錦院士團隊Science：高動態強度碳納米管纖維

2024-06-24 18:49
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碳納米管具有輕質、高強、高模、高導電、高導熱等優異特性，被認爲是新一代高性能纖維的理想組裝基元。然而，受限於碳納米管跨尺度組裝難題，碳納米管纖維的強度仍遠低於其理論強度。

近日，北京大學張錦院士、北京石墨烯研究院蹇木強副研究員、武漢大學高恩來副教授、中科院力學所吳先前研究員、中科院蘇州納米所張永毅研究員等緊密合作，提出一種高動態強度碳納米管纖維的製備方法，通過引入PBO增強碳納米管管間作用、機械訓練提高取向性和機械處理提高纖維緻密性，獲得了動態強度高達14 GPa的碳納米管纖維。

相關工作以“Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa”爲題發表在Science雜誌上。

圖1-碳納米管纖維的製備、結構與性能。（A）多尺度結構優化策略製備高性能碳納米管纖維；（B-D）碳納米管纖維的結構表徵；（E）碳納米管纖維與其他纖維的力學性能對比。

該團隊通過微尺度高速衝擊拉伸實驗深入研究了碳納米管纖維在高應變率加載下的力學行爲。隨着應變率提高，纖維發生韌脆失效模式轉變，展現出顯著的應變率強化效應。當應變率約1400 s^–1時，纖維動態強度達14 GPa，超過了現有高性能纖維，表明碳納米管纖維在衝擊防護領域具有巨大的應用潛力。實驗和模擬結果表明，碳納米管管間作用、取向性和纖維緻密性是纖維力學性能提升的關鍵。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變爲更多碳納米管的斷裂，從而賦予纖維優異的動態力學性能。

圖2-碳納米管纖維的力學性能。（A）碳納米管纖維在準靜態加載下的應力-應變曲線；（B）碳納米管纖維在準靜態加載下的拉伸強度、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變率加載下的應力-應變曲線；（E）不同應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強度對比；（G）不同應變率加載下碳納米管纖維的動態韌性；（H）激光誘導高速橫向衝擊纖維的示意圖；（I）不同纖維的比能量耗散功率。

北京大學博士後張馨時、中科院力學所博士後雷旭東、武漢大學博士研究生賈向正爲論文的共同第一作者。該研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委、北京市科學技術委員會等聯合資助。