获得更高动态强度碳纳米管纤维的新方法

北京大学简慕强教授、北京石墨烯研究院等在6月21日发表于《科学》杂志上的一项研究中开发了一种制备动态强度高达14 GPa的碳纳米管纤维的方法。

轻量化、高强度是纤维材料永恒的追求，针对战场防护、空间碎片捕获等高应变率场景对纤维的应用需求，开发具有超高动态强度、高能量吸收能力的纤维材料具有重要意义。

碳纳米管具有质轻、强度高、模量高、导电性和导热性高等优异性能，被认为是下一代高性能纤维的理想构建材料之一，有望满足高应变率应用的需求。

但由于纤维组装结构问题，碳纳米管纤维的拉伸强度仍不足10 GPa，远低于理想强度，还有很大的提升空间。

中国科学院力学研究所吴先乾教授、武汉大学高恩来副教授、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张永毅教授等科研人员，提出了创新的多尺度结构优化策略。

首先，对浮触媒化学气相沉积制备的碳纳米管纤维进行纯化和功能化处理，然后将其在含有聚对苯撑-2,6-苯并双恶唑(PBO)的氯磺酸(CSA)溶液中进行渐进拉伸，再进行机械致密化，该策略可改善纤维内部的界面相互作用、纳米管排列和致密化，从而实现准静态和动态强度的突破。

碳纳米管跨尺度的有序组装赋予纤维优异的力学性能，碳纳米管纤维的准静态强度达到8.2 GPa，传统防弹性能评价指标Cunniff速度超过1100 m/s，此外该纤维还表现出良好的导电性。

为了揭示碳纳米管纤维的冲击防护性能，利用小型霍普金森拉伸杆研究了纤维在高应变率载荷下的力学行为。结果表明，随着拉伸速率的增加，纤维经历了从延性到脆性破坏行为的转变，表现出明显的应变率强化效应。当应变速率约为1,400 s –1时，纤维的动态强度达到14 GPa，超过了所有其他高性能纤维。

为了研究该纤维的动态响应，在模拟弹道冲击载荷下建立了激光诱导高速横向冲击试验，结果表明该纤维的比能量耗散功率达到(8.7±1.0)×10 13 m kg –1 s –1，远远超过Kevlar等传统防弹纤维。

这些发现表明碳纳米管纤维在冲击防护工程中具有巨大的应用潜力。

界面相互作用、纳米管排列和碳纳米管纤维致密化的协同增强对其优异的机械性能至关重要。原位拉曼测试和分子动力学模拟表明， PBO 和碳纳米管之间的强相互作用增强了管间相互作用和应力传递。

粗粒模拟结果表明，在渐进拉伸过程中，PBO 的添加降低了纤维孔隙率、增加了密度并降低了应力集中。

在高速加载条件下，纤维中更高比例的碳纳米管断裂，纤维断裂模式由管间滑移转变为更同步的碳纳米管断裂，从而赋予纤维优异的动态力学性能。

碳纳米管纤维具有极高的动态强度，在航空航天和冲击防护领域具有应用潜力。这项研究提供了一种可行的方法，可以利用单个碳纳米管在宏观尺度上的固有强度来制造抗冲击纤维材料。

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