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)，製備出一種動(dòng)態(tài)強(qiáng)度高達(dá)14GPa的碳納米管纖維，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)已有高性能纖維的性能。
張錦院士。資料圖
評(píng)審專(zhuān)家表示本工作中碳納米管纖維的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度首次突破10GPa，這是一個(gè)前所未有的結(jié)果，對(duì)於纖維領(lǐng)域尤其是碳納米管纖維領(lǐng)域具有重要意義。
當(dāng)受到高應(yīng)變率或彈道衝擊時(shí)，本次製備的高強(qiáng)碳納米管纖維展現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和抗衝擊性能，在衝擊防護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。
例如：
在航空航天領(lǐng)域，高強(qiáng)碳納米管纖維可被用於飛行器的蒙皮材料，以防止碎片撞擊。還可以將其製成空間捕捉網(wǎng)，以用於捕獲和回收空間碎片。
在軌道交通領(lǐng)域，高強(qiáng)碳納米管纖維則可被用於一些關(guān)鍵承載和吸能部件。
CNTF的製備、形貌和機(jī)械性能。圖源：Science
「三問(wèn)」碳納米管
纖維是人類(lèi)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，極大推動(dòng)了人類(lèi)文明的發(fā)展，並已成為當(dāng)代社會(huì)不可或缺的重要材料之一。
目前，纖維已被用於人類(lèi)生活的方方面面，包括高精尖的裝備和日常生活用品。
隨著新應(yīng)用的需求和新技術(shù)的發(fā)展，纖維材料逐漸向超性能化、多功能化、智能化發(fā)展。
纖維的性能發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：
第一，輕質(zhì)高強(qiáng)是纖維材料的永恆追求之一；
第二，結(jié)構(gòu)功能一體化是纖維發(fā)展的必由之路；
第三，智能化是纖維發(fā)展的重要趨勢(shì)。
因此，纖維材料的創(chuàng)新發(fā)展對(duì)纖維基元材料的結(jié)構(gòu)和性能提出了更高要求。
碳納米管和石墨烯均是一類(lèi)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，理論模量大於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。作為一種一維宏觀材料，碳納米管纖維有望將碳納米管微觀尺度的優(yōu)異性能，有效地傳遞到宏觀纖維，從而助力於打造輕質(zhì)高強(qiáng)、結(jié)構(gòu)功能一體化的智能化纖維。
然而，受限於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(wèn)題，以至於碳納米管纖維的性能仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低於其理論數(shù)值。
基於在碳納米管控制製備和表徵技術(shù)上多年經(jīng)驗(yàn)，張錦院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)展碳納米管纖維的可控制備與應(yīng)用技術(shù)研究，並重點(diǎn)關(guān)注以下三方面問(wèn)題：
其一，如何為碳納米管架起從微觀到宏觀纖維的橋樑？
其二，如何讓碳納米管的優(yōu)異性能實(shí)現(xiàn)從微觀尺度到宏觀纖維的跨尺度傳遞？
其三，如何實(shí)現(xiàn)高性能碳納米管纖維的規(guī)模化製備？
對(duì)於理想纖維來(lái)說(shuō)，它在結(jié)構(gòu)上要滿(mǎn)足以下三種要求：
其一，基元材料的分子量高、鏈端少；
其二，分子鏈可以沿著纖維軸向?qū)崿F(xiàn)完美取向；
其三，具備完美的鏈間堆疊。
只有滿(mǎn)足以上三個(gè)條件，才能將基元材料的優(yōu)異性能有效地傳遞至宏觀纖維。
對(duì)於碳納米管纖維而言，要想充分展現(xiàn)碳納米管微觀尺度的優(yōu)異性能，就必須採(cǎi)用高品質(zhì)的基元材料，以及實(shí)現(xiàn)高取向、高緻密的跨尺度組裝。
此前，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，能夠滿(mǎn)足上述條件的碳納米管管束的力學(xué)強(qiáng)度可以達(dá)到80GPa，基本能夠滿(mǎn)足人們對(duì)於碳納米管纖維的性能預(yù)期。
這也說(shuō)明碳納米管的有序組裝，對(duì)於組裝體的性能起著重要作用。
但是，目前的碳納米管纖維依然存在一些組裝結(jié)構(gòu)問(wèn)題，比如孔隙率高、取向度低、管間作用弱等。
為此，團(tuán)隊(duì)針對(duì)纖維的跨尺度結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了系統(tǒng)性的優(yōu)化，以期將纖維的性能潛力挖掘出來(lái)。
CNTF的結(jié)構(gòu)表徵。圖源：Science
他們從「通過(guò)鍛煉影響人體肌肉」這一生理現(xiàn)象中獲得了一定啟發(fā)。
當(dāng)經(jīng)過(guò)一定的力量訓(xùn)練，人體的肌肉纖維數(shù)量和大小都會(huì)增加，肌肉的收縮力則會(huì)提高，從而能讓肌肉變得更加緊實(shí)，肌肉力量也會(huì)顯著增加。
在這一現(xiàn)象的啟發(fā)之下，他們針對(duì)碳納米管纖維進(jìn)行「機(jī)械訓(xùn)練」，從而讓纖維中的碳納米管重新排布、定向和組裝。
這樣一來(lái)，碳納米管管束就會(huì)增大，纖維也會(huì)更加緊實(shí)。
此外，一些健身愛(ài)好者還會(huì)通過(guò)補(bǔ)充蛋白質(zhì)，來(lái)促進(jìn)肌肉的修復(fù)和生長(zhǎng)。
在此啟發(fā)之下，當(dāng)針對(duì)纖維開(kāi)展「機(jī)械訓(xùn)練」時(shí)，該課題組在纖維中引入一種剛性棒狀聚合物分子。
這種聚合物分子作為碳納米管纖維的「營(yíng)養(yǎng)液」，從而提升纖維的緊實(shí)度和管間作用。
然後，通過(guò)機(jī)械緻密化的處理，課題組從分子尺度、納米尺度、微米尺度這三個(gè)方面，讓纖維的結(jié)構(gòu)得到系統(tǒng)性?xún)?yōu)化，並讓纖維得以擁有優(yōu)異的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能。
通過(guò)此，該團(tuán)隊(duì)製備出了這種碳納米管纖維，其兼具高緻密、高取向、強(qiáng)管間作用的特點(diǎn)。
不止步於「製備」，知其然更要知其所以然
隨後，他們對(duì)比了纖維的 Cunniff 速度（一種傳統(tǒng)的防彈性能評(píng)價(jià)指標(biāo)），結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維的Cunniff速度超過(guò)1100m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高於同類(lèi)高性能纖維。
一般情況下，人們?cè)跍y(cè)試?yán)w維材料的力學(xué)強(qiáng)度時(shí)，普遍採(cǎi)用準(zhǔn)靜態(tài)的測(cè)試條件。
期間，纖維內(nèi)部的碳納米管將能擁有足夠的時(shí)間發(fā)生重排、滑移，以至於難以體現(xiàn)碳納米管的優(yōu)異性能。
而該纖維不僅結(jié)構(gòu)有序、而且管間作用較強(qiáng)，那麼在高速加載條件之下，是否會(huì)有不同的力學(xué)行為？同時(shí)，能否直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)纖維的抗衝擊性能？
他們與合作者中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所吳先前研究員和雷旭東博士採(cǎi)用微尺度高速衝擊拉伸實(shí)驗(yàn)法，研究纖維在高應(yīng)變率加載下的力學(xué)行為。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著拉伸速度的提高，纖維的韌脆失效模式會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而展現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。
當(dāng)應(yīng)變率約1400s–1時(shí)，纖維的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度達(dá)到14GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他高性能纖維。
進(jìn)一步地，通過(guò)採(cǎi)用強(qiáng)激光誘導(dǎo)高速橫向衝擊的實(shí)驗(yàn)方法，他們研究了該纖維在模擬彈道衝擊加載下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)：纖維的比能量耗散功率達(dá)到（8.7±1.0）×1013mkg–1s–1，遠(yuǎn)高於傳統(tǒng)防彈纖維。這表明該纖維在衝擊防護(hù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
CNTF動(dòng)態(tài)性能的機(jī)理分析。圖源：Science
纖維為何具有如此高的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度？
後來(lái)，該課題組又與武漢大學(xué)高恩來(lái)副教授開(kāi)展深入討論，藉此揭示了碳納米管纖維優(yōu)異力學(xué)性能的來(lái)源。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果表明：碳納米管的管間作用、取向性和纖維緻密性，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。對(duì)於纖維斷裂模式來(lái)說(shuō)，它也會(huì)從碳納米管管間滑移、轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗟奶技{米管的斷裂，從而讓纖維擁有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。
同時(shí)，他們與中科院蘇州納米所張永毅研究員合作，初步實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)碳納米管纖維和絲束的連續(xù)製備。
日前，相關(guān)論文以《動(dòng)態(tài)強(qiáng)度 14GPa 的碳納米管纖維》（Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa）為題發(fā)在 Science[1]。
北京大學(xué)張馨時(shí)博士、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所雷旭東博士、武漢大學(xué)賈向正博士生是共同一作。
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、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所吳先前研究員、武漢大學(xué)高恩來(lái)副教授、中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所/中國(guó)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擔(dān)任共同通訊作者。
|相關(guān)論文。圖源：Science
總的來(lái)說(shuō)，本工作為更深入地理解碳納米管優(yōu)異性能的跨尺度傳遞規(guī)律、以及開(kāi)發(fā)高性能碳納米管纖維規(guī)模化製備技術(shù)奠定了良好基礎(chǔ)。
後續(xù)，他們將繼續(xù)結(jié)合多尺度理論計(jì)算和 AI 技術(shù)探究碳納米管優(yōu)異性能從微觀尺度到宏觀纖維的跨尺度傳遞問(wèn)題。
並將從碳納米管本徵結(jié)構(gòu)和纖維組裝結(jié)構(gòu)兩方面入手，持續(xù)地優(yōu)化纖維的微觀結(jié)構(gòu)，架起碳納米管從微觀到宏觀纖維的橋樑。
同時(shí)，還將繼續(xù)開(kāi)發(fā)高性能碳納米管纖維規(guī)模化製備技術(shù)和裝備，並攜手合作者推進(jìn)從纖維單絲、到絲束、再到複合材料成型加工方面的工作。
「這些方面還有很多工作需要做，歡迎國(guó)內(nèi)外各優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)一起交流合作。」該團(tuán)隊(duì)表示。
與此同時(shí)，課題組也特別重視 AI 與研究方向的結(jié)合，目前已經(jīng)在 AI 輔助碳納米管制備與分散、纖維製備與結(jié)構(gòu)分析方面做了初步探索。
「與 AI 技術(shù)結(jié)合方面的相關(guān)論文也會(huì)很快上線(xiàn)，到時(shí)再跟大家分享。」研究人員最後說(shuō)道。
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