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14 GPa！北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)打造超級碳納米管纖維，強(qiáng)度破紀(jì)錄！
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-08-12 11:33:34
碳納米管，這一微觀世界的奇妙構(gòu)造，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和卓越的性能，成為了科學(xué)家們探索的焦點(diǎn)。它們由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)，具有極高的強(qiáng)度、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。而當(dāng)這些神奇的碳納米管被巧妙地編織成纖維時(shí)，一種全新的材料應(yīng)運(yùn)而生——碳納米管纖維。



北京大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，憑借著敏銳的科學(xué)洞察力和無畏的探索精神，率先投身于這一領(lǐng)域的研究。近日，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和團(tuán)隊(duì)，制備出一種動(dòng)態(tài)強(qiáng)度高達(dá) 14GPa 的碳納米管纖維，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過已有高性能纖維的性能。



一、碳納米管纖維的“吸引力”



碳納米管和石墨烯均是一類由碳原子 sp2 雜化六元環(huán)結(jié)構(gòu)組成的低維碳材料，相比傳統(tǒng)材料展現(xiàn)出優(yōu)異的特性，被認(rèn)為是新一代高性能纖維的理想組裝基元。



尤其是作為一維管狀納米碳材料，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。



其理論強(qiáng)度 100-200GPa，理論模量大于 1000GPa，電導(dǎo)率大約為 108S/m，熱導(dǎo)率大約為 6600W/(mK)。



當(dāng)將碳納米管沿軸向定向排列，就能組成碳納米管纖維。碳納米管纖維集成了優(yōu)良的機(jī)械和電氣性能以及優(yōu)越的柔韌性。碳納米管纖維具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模的特性，其理論強(qiáng)度為100-200GPa，理論模量大于1000GPa。



然而，受限于碳納米管的跨尺度組裝難題，碳納米管纖維會(huì)存在高孔隙率、低取向度、弱管間作用等問題，以至于碳納米管纖維的性能仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論數(shù)值。



二、14GPa 的奇跡：性能與優(yōu)勢解析



（一）超強(qiáng)的力學(xué)性能



14GPa 的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，意味著碳納米管纖維能夠承受巨大的外力而不發(fā)生斷裂。這種超強(qiáng)的力學(xué)性能，使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了無與倫比的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)材料相比，如鋼鐵、鋁合金等，碳納米管纖維在相同重量下的強(qiáng)度要高出數(shù)倍。



當(dāng)應(yīng)變率約1400s–1時(shí)，纖維的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度高達(dá)14GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他高性能纖維。在高應(yīng)變率加載下，纖維會(huì)發(fā)生韌脆失效模式的轉(zhuǎn)變，展現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。在模擬彈道沖擊加載下，由于沖擊能量的快速非局域耗散，纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的防護(hù)性能，其比能量耗散功率達(dá)到（8.7±1.0）×1013mkg–1s–1，遠(yuǎn)高于凱夫拉等傳統(tǒng)防彈纖維。



（二）優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性



除了驚人的力學(xué)強(qiáng)度，碳納米管纖維還保持了碳納米管本身優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。這使得它在電子器件、散熱材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。



（三）輕質(zhì)與高性能的完美結(jié)合



碳納米管纖維的另一個(gè)顯著優(yōu)勢是其輕質(zhì)的特點(diǎn)。在強(qiáng)度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料的同時(shí)，重量卻大大減輕。這種輕質(zhì)高性能的特性，使其成為航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域追求輕量化和高性能的理想選擇。



（四）抗沖擊性能強(qiáng)：在沖擊防護(hù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，例如可用于飛行器的蒙皮材料以防止碎片撞擊，或制成空間捕捉網(wǎng)以捕獲和回收空間碎片，也可用于軌道交通的一些關(guān)鍵承載和吸能部件等。



為了獲得這些性能，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種碳納米管纖維多尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。他們對浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積法制備的碳納米管纖維進(jìn)行純化/功能化處理，然后將纖維置于聚合物（PBO）/氯磺酸溶液中進(jìn)行機(jī)械訓(xùn)練處理，并進(jìn)一步經(jīng)過機(jī)械致密化處理，從而制備出了具有強(qiáng)管間作用、高取向性和高致密性的碳納米管纖維。



其優(yōu)異力學(xué)性能的來源主要在于碳納米管的管間作用、取向性和纖維致密性的協(xié)同提升。原位拉曼測試和分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，PBO與碳納米管之間具有強(qiáng)相互作用，提高了碳納米管的管間作用和應(yīng)力傳遞。粗粒化模擬結(jié)果顯示，在機(jī)械訓(xùn)練過程中，PBO的加入會(huì)降低纖維孔隙，提高致密度，減小應(yīng)力集中。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{米管的協(xié)同斷裂，從而賦予了纖維優(yōu)異的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。



三、應(yīng)用領(lǐng)域的拓展：從夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)



（一）航空航天的新寵



在航空航天領(lǐng)域，重量的減輕意味著燃料消耗的降低和飛行性能的提升。碳納米管纖維的出現(xiàn)，為制造更輕、更強(qiáng)的飛行器結(jié)構(gòu)提供了可能。



從飛機(jī)的機(jī)身部件到衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)材料，碳納米管纖維有望徹底改變航空航天材料的格局。



（二）汽車工業(yè)的革命



在汽車工業(yè)中，碳納米管纖維可以用于制造車身結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。不僅能夠提高汽車的安全性和性能，還有助于降低燃油消耗和尾氣排放。



想象一下，未來的汽車更加輕盈、高效，而碳納米管纖維將在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。



（三）電子與能源領(lǐng)域的創(chuàng)新



在電子領(lǐng)域，碳納米管纖維可以用于制造柔性電子器件、高性能導(dǎo)線等。其優(yōu)異的導(dǎo)電性將推動(dòng)電子設(shè)備的性能提升和小型化。



在能源領(lǐng)域，它可以作為新型的儲能材料，提高電池的能量密度和充放電速度。



（四）醫(yī)療與防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用



在醫(yī)療領(lǐng)域，碳納米管纖維可以用于制造人工器官、生物傳感器等。其良好的生物相容性和力學(xué)性能為醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。



在防護(hù)領(lǐng)域，如防彈衣、防切割手套等，碳納米管纖維的高強(qiáng)度能夠提供更可靠的保護(hù)。



四、未來展望：無限可能的延續(xù)



雖然已經(jīng)取得了巨大的突破，但碳納米管纖維的技術(shù)仍有待進(jìn)一步完善。未來，科學(xué)家們將致力于提高生產(chǎn)效率、降低成本，使這一神奇的材料能夠更廣泛地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。



隨著研究的深入，碳納米管纖維可能會(huì)展現(xiàn)出更多未曾發(fā)現(xiàn)的性能。這將為其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展提供更多的可能性。



碳納米管纖維的廣泛應(yīng)用，將對社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。從改變?nèi)藗兊某鲂蟹绞降教嵘t(yī)療水平，從推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的變革到促進(jìn)環(huán)境保護(hù)，其潛力不可估量。

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