我国超强碳纳米管纤维研究获重大突破

清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学航天航空学院李喜德教授团队合作，在超强碳纳米管纤维领域取得重大突破，在世界上首次报道了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束，其拉伸强度超越了目前发现的所有其它纤维材料。碳纳米管被认为是目前发现的最强的几种材料之一，拉伸强度高达100 GPa以上，超过T1000碳纤维强度10倍以上。然而，当单根力学性能优异的碳纳米管制备成宏观材料时，其性能往往远低于理论值。相比之下，超长碳纳米管具有厘米甚至分米长度并且具有完美结构，具有一致取向和接近理论极限的力学性能，在制备超强纤维方面具有巨大的优势。研究团队通过制备含有不同数量单元的超长碳纳米管管束，定量分析其组成和结构对超长碳纳米管管束力学性能的影响，建立了确定的物理/数学模型。研究发现，管束中碳纳米管的初始应力分布不均匀，从而使得管束中的碳纳米管无法同步均匀受力，进而导致了整体强度的下降，亦即“丹尼尔效应”。据此，该研究团队提出了一种“同步张弛”的策略，通过纳米操纵来释放管束中碳纳米管的初始应力，使其处于一个较窄的分布范围，从而将碳纳米管管束拉伸强度提高到80 GPa以上，接近单根碳纳米管的拉伸强度。这项工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强纤维的光明前景，同时为发展新型超强纤维指明了方向和方法。