李喜德：美“力”新世界

□ 李 剛

世界關注的實驗

2018年5月中旬，國際材料學界發生了一件振奮人心的大事，清華大學化工系魏飛教授團隊與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，其拉伸強度超過現有的其他纖維材料。相關成果以Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa(“拉伸強度超過80GPa的碳納米管管束”)為題，發表于納米領域國際頂級學術期刊Nature Nanotechnology上。

在這一重大成果的合作攻關過程中，以李喜德教授為帶頭人的實驗力學團隊厥功甚偉。據李喜德介紹，強度是材料眾多屬性中最重要的力學性能之一。碳納米管由于其優異的性能，被譽為“21世紀材料界的奇跡”。它的強度為鋼的100倍，重量卻只有鋼的1/6，楊氏模量高達1TPa以上，拉伸強度超過100GPa。

“碳納米管作為一種新材料風靡全球，但要用作工程材料，它的基本性能還存在一些缺陷。”李喜德說，“用力學性能優異的碳納米管制備成宏觀材料時，比如把單根碳納米管集成管束，或者摻雜在復合材料里，其拉伸強度往往遠低于單根碳管的強度。”如何將一根根碳納米管組裝后仍保持優異的力學性能成為制備超強纖維必須解決的首要問題。

多年的研究使研究者意識到，碳納米管束或其復合材料性能下降的主要原因是由于形成纖維的碳納米管長度較短，單元體之間以范德華力相互搭接，在拉伸載荷作用下極易發生相互滑移。此外，碳納米管的結構缺陷、碳管端頭在復合材料中存在的應力集中以及在復合材料中的雜亂取向等也會導致纖維強度下降。……