北京大學(xué)張錦院士、蘇州納米所張永毅研究員Science:在超高強(qiáng)度碳納米管纖維研究方面取得重要進(jìn)展
碳納米管具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等優(yōu)異特性,被認(rèn)為是新一代超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(qiáng)度仍遠(yuǎn)低于其理論強(qiáng)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/北京石墨烯研究院張錦院士、北京石墨烯研究院蹇木強(qiáng)副研究員、武漢大學(xué)高恩來副教授、中國科學(xué)院力學(xué)所吳先前研究員、中國科學(xué)院蘇州納米所/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)/江西省納米技術(shù)研究院張永毅研究員等緊密合作,在Science雜志在線發(fā)表了題為Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa的研究論文。該工作提出一種高動(dòng)態(tài)強(qiáng)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(qiáng)碳納米管管間作用、機(jī)械訓(xùn)練提高取向性和機(jī)械處理提高纖維致密性,獲得了動(dòng)態(tài)強(qiáng)度高達(dá)14 GPa的碳納米管纖維。

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(tuán)隊(duì)通過微尺度高速?zèng)_擊拉伸實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)變率約1400 s–1時(shí),纖維動(dòng)態(tài)強(qiáng)度達(dá)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(hù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。實(shí)驗(yàn)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?span style="font-family: arial, helvetica, sans-serif; font-size: 16px; line-height: 3em;" data-index="9">碳納米管的斷裂,從而賦予纖維優(yōu)異的動(dòng)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(zhǔn)靜態(tài)加載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(B)碳納米管纖維在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度;(F)碳納米管纖維與其他纖維的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度對比;(G)不同應(yīng)變率加載下碳納米管纖維的動(dòng)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。
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