我國超強碳納米管纖維研究獲重大突破

清華大學化工系魏飛教授團隊與清華大學航天航空學院李喜德教授團隊合作，在超強碳納米管纖維領域取得重大突破，在世界上首次報道了接近單根碳納米管理論強度的超長碳納米管管束，其拉伸強度超越了目前發現的所有其它纖維材料。碳納米管被認為是目前發現的最強的幾種材料之一，拉伸強度高達100 GPa以上，超過T1000碳纖維強度10倍以上。然而，當單根力學性能優異的碳納米管制備成宏觀材料時，其性能往往遠低于理論值。相比之下，超長碳納米管具有厘米甚至分米長度并且具有完美結構，具有一致取向和接近理論極限的力學性能，在制備超強纖維方面具有巨大的優勢。研究團隊通過制備含有不同數量單元的超長碳納米管管束，定量分析其組成和結構對超長碳納米管管束力學性能的影響，建立了確定的物理/數學模型。研究發現，管束中碳納米管的初始應力分布不均勻，從而使得管束中的碳納米管無法同步均勻受力，進而導致了整體強度的下降，亦即“丹尼爾效應”。據此，該研究團隊提出了一種“同步張弛”的策略，通過納米操縱來釋放管束中碳納米管的初始應力，使其處于一個較窄的分布范圍，從而將碳納米管管束拉伸強度提高到80 GPa以上，接近單根碳納米管的拉伸強度。這項工作揭示了超長碳納米管用于制造超強纖維的光明前景，同時為發展新型超強纖維指明了方向和方法。