超強碳納米管纖維，最新Science！

一、【導讀】

對材料極致性能的追求一直是人類社會發展的重要推動力之一，材料的力學強度是材料眾多性能中被人類極為看重的一種性能。超強纖維有著極為廣闊的應用前景，例如高性能運動器材、防彈衣、大飛機、大型運載火箭、超級建筑等。因此美國航空航天局（NASA）在2005年設置了一個“超強纖維挑戰賽”（Strong Tether Challenge）并將其作為世紀挑戰，希望找到一種比強度（即單位質量強度）高達7.5 GPa/(g/cm³)的宏觀超強纖維材料。遺憾的是，直到2011年這個競賽取消這個目標都沒能實現。一些高性能纖維，如超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、聚對苯-2,6-苯并二惡唑（PBO）和芳綸纖維已經被開發出來，并在現代工業中發揮著至關重要的作用。盡管取得了這些成就，但高性能纖維的制造仍然受到日益增長的工業需求的驅動。一個有前景的途徑是將超高性能納米材料組裝成宏觀結構。

固有強度超過100GPa的碳納米管（CNT）被認為是構建高性能和多功能纖維的有前途的構建塊，用于準靜態和動態環境中的應用。然而，碳納米管纖維（CNTF）的準靜態和動態力學性能受到紡絲過程中形成的較差的界面相互作用、低納米管排列和高孔隙率的限制。為了解決這些問題，已經開發了各種后處理方法來改變CNTF的分級結構，包括溶液致密化、機械處理和熱退火。然而，CNTFs的拉伸強度（<10GPa），尤其是動態強度，遠低于單個CNT（>100GPa）的拉伸強度，表明CNTFs仍有很大的強度提高空間。

二、【成果掠影】

基于此，北京大學張錦院士、北京石墨烯研究院蹇木強研究員、武漢大學高恩來副教授、中國科學院力學研究所吳先前研究員和中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張永毅研究員等人聯合報道了一種優化分層結構的策略，包括漸進拉伸、注入PBO納米纖維和分子鏈（簡稱PBO）以及機械滾動，以改善CNTF的界面相互作用、納米管排列和致密化，制造了動態強度為14 GPa且具有出色能量吸收能力的碳納米管纖維。纖維的動態性能歸因于高應變速率加載過程中單個納米管的同時斷裂和沖擊能量的離域，這些行為是由于界面相互作用、納米管排列和致密化的改善。這項工作提出了一種在宏觀尺度上利用單個碳納米管強度的有效策略，并提供了新的機制見解。該論文以題為“Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa”發表在知名期刊Science上，第一單位為北京大學。

三、【數據概覽】

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圖1 ?CNTF的制備、形貌和機械性能 ? 2024 AAAS

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圖2 ?CNTF 的結構表征 ? 2024 AAAS

圖3 ?CNTF 的機械性能 ? 2024 AAAS

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圖4? CNTF動態性能的機理分析 ? 2024 AAAS

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四、【成果啟示】

綜上，研究人員通過優化分層結構的策略，開發了一種制備動態強度為14GPa的CNTF。這種策略可以改善纖維內的界面相互作用、納米管排列和致密化。多尺度分析結合實驗證據表明，碳納米管的動態性能主要是由于單個納米管的同時斷裂和高應變速率加載過程中發生的異常沖擊能量離域。本研究為在宏觀尺度上利用單個CNT的固有強度來制備抗沖擊纖維材料提供了一條可行的途徑。

文獻鏈接：Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa (Science 2024, 384, 1318-1323)

本文由大兵哥供稿。