张锦课题组与合作者在高动态强度碳纳米管纤维研究中取得进展

碳纳米管具有轻质、高强、高模、高导电、高导热等优异特性,被认为是新一代高性能纤维的理想组装基元。然而,受限于碳纳米管跨尺度组装难题,碳纳米管纤维的强度仍远低于其理论强度。

北京大学化学与分子工程学院/材料科学与工程学院张锦院士、北京石墨烯研究院蹇木强副研究员、武汉大学高恩来副教授、中国科学院力学研究所吴先前研究员、中科院苏州纳米所/中国科学技术大学/江西省纳米技术研究院张永毅研究员等紧密合作,于2024年6月21日在Science杂志在线发表了题为“Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa”研究论文。该工作提出一种高动态强度碳纳米管纤维的制备方法,通过引入聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)增强碳纳米管管间作用、机械训练提高取向性和机械处理提高纤维致密性,获得了动态强度高达14GPa的碳纳米管纤维。

论文截图

图1 碳纳米管纤维的制备、结构与性能。(A)多尺度结构优化策略制备高性能碳纳米管纤维;(B—D)碳纳米管纤维的结构表征;(E)碳纳米管纤维与其他纤维的力学性能对比

研究团队通过微尺度高速冲击拉伸实验深入研究了碳纳米管纤维在高应变率加载下的力学行为。随着应变率提高,纤维发生韧脆失效模式转变,展现出显著的应变率强化效应。当应变率约1400s–1时,纤维动态强度达14GPa,超过了现有高性能纤维,表明碳纳米管纤维在冲击防护领域具有巨大的应用潜力。实验和模拟结果表明,碳纳米管管间作用、取向性和纤维致密性是纤维力学性能提升的关键。在高速加载条件下,纤维中碳纳米管的断裂比例更高,纤维断裂模式从碳纳米管管间滑移转变为更多碳纳米管的断裂,从而赋予纤维优异的动态力学性能。

图2 碳纳米管纤维的力学性能。(A)碳纳米管纤维在准静态加载下的应力-应变曲线;(B)碳纳米管纤维在准静态加载下的拉伸强度、杨氏模量和韧性;(C)不同纤维的比能量吸收和纵波波速对比;(D)碳纳米管纤维在高应变率加载下的应力-应变曲线;(E)不同应变率加载下碳纳米管纤维的拉伸强度;(F)碳纳米管纤维与其他纤维的动态强度对比;(G)不同应变率加载下碳纳米管纤维的动态韧性;(H)激光诱导高速横向冲击纤维的示意图;(I)不同纤维的比能量耗散功率

北京大学化学与分子工程学院博士后张馨时、中科院力学所博士后雷旭东、武汉大学博士研究生贾向正为论文的共同第一作者。该研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委、北京市科学技术委员会和北京分子科学国家研究中心等联合资助。

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