中国科学家突破碳纳米管纤维性能极限，航天器设计迎来革命性变革

中国科学家突破碳纳米管纤维性能极限，航天器设计迎来革命性变革

引用

澎湃

等

8

来源

1.

https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_27886850

2.

https://www.imr.cas.cn/xwzx/kydt/202407/t20240724_7235029.html

3.

http://sz.people.com.cn/n2/2024/0716/c202846-40913949.html

4.

http://www.imr.cas.cn/xwzx/kydt/202407/t20240724_7235029.html

5.

https://www.cas.cn/syky/202407/t20240726_5027098.shtml

6.

https://assets.msn.cn/content/view/v2/Detail/zh-cn/BB1q4XEs

7.

http://www.cailiaoniu.com/260990.html

8.

http://www.nanoer.net/showinfo-32-61744.html

近日，中国科学家在碳纳米管纤维研究领域接连取得重大突破。北京大学张锦院士团队成功制备出动态强度高达14GPa的碳纳米管纤维，而中国科学院金属研究所团队则在电导率方面实现重要进展，达到与铜导线相当的水平。这些突破将极大推动航空航天领域的发展，使未来的飞行器更轻、更强、更高效。

张锦院士团队通过创新的制备工艺，成功解决了碳纳米管纤维在跨尺度组装中的关键难题。他们从“人体肌肉锻炼”中获得灵感，采用“机械训练”的方式对碳纳米管纤维进行优化。具体来说，通过渐进拉伸、注入PBO纳米纤维和分子链以及机械滚动等步骤，显著改善了纤维内的界面相互作用、纳米管排列和致密化程度。

测试结果显示，这种新型碳纳米管纤维不仅在准静态条件下表现出优异的力学性能，在高应变率或弹道冲击下更展现出惊人的动态强度，达到14GPa，远超现有高性能纤维。评审专家指出，这一突破对于纤维领域尤其是碳纳米管纤维领域具有里程碑意义。

中国科学院金属研究所团队则在碳纳米管纤维的电学性能方面取得重要进展。通过优化湿法纺丝工艺，他们成功制备出高取向度（取向因子0.994）、高致密度（1.96 g/cm³）的双壁碳纳米管纤维。其电导率达到1.1×10^7 S/m，载流量达8.0×10^8 A/m²，抗拉强度达1.65 GPa，断裂韧性达130.9 MJ/m³。尤为重要的是，其比电导率和比电流容量分别达到铜导线的86%和3倍，同时具有更低的变温电阻系数。

这些高性能碳纳米管纤维在航空航天领域展现出广阔的应用前景：

1. 飞行器蒙皮材料：高强碳纳米管纤维可有效防止碎片撞击，提高飞行器的安全性。

2. 空间捕捉网：利用其优异的力学性能，可以开发用于捕获和回收空间碎片的装置，为解决太空垃圾问题提供新方案。

3. 轻质导线：中科院团队研发的碳纳米管纤维有望替代传统铜导线，实现减重和性能提升的双重目标。

4. 关键承载部件：在轨道交通等领域，这些新材料也可用于制造关键承载和吸能部件，提高整体性能。

尽管中国在碳纳米管纤维领域已取得显著成就，但要实现大规模应用仍面临一些挑战。例如，如何进一步优化制备工艺以降低成本，如何确保材料在复杂环境中的长期稳定性等。此外，不同应用场景对材料性能的具体要求也需深入研究。

总体而言，中国科学家的这些突破为碳纳米管纤维的实际应用开辟了新途径，有望在不久的将来彻底改变航空航天等领域的材料格局。随着研究的不断深入和产业化进程的推进，我们有理由期待，这种兼具高强度、高电导率的新型材料将在更多领域发挥重要作用。