北京大学团队突破碳纳米管纤维制备技术，动态强度达14 GPa
北京大学团队突破碳纳米管纤维制备技术，动态强度达14 GPa
2024年6月，北京大学研究团队在碳纳米管纤维制备领域取得重大突破。他们通过创新性的多尺度结构优化策略，成功制备出动态强度高达14 GPa的碳纳米管纤维，这一成果发表在国际顶级期刊《Science》上。
研究背景与挑战
碳纳米管具有轻质、高强、高模、高导电、高导热等优异特性，被认为是新一代高性能纤维的理想组装基元。然而，受限于碳纳米管跨尺度组装难题，碳纳米管纤维的强度一直远低于其理论强度。如何突破这一瓶颈，制备出高性能的碳纳米管纤维，成为科研人员亟待解决的难题。
创新性的制备方法
研究团队提出了一种创新性的制备方法，通过三个关键步骤显著提升了碳纳米管纤维的力学性能：
引入PBO增强碳纳米管管间作用：聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）的引入，有效增强了碳纳米管之间的相互作用力，提高了纤维的整体强度。
机械训练提高取向性：通过机械训练工艺，使碳纳米管在纤维中的排列更加有序，进一步提升了纤维的力学性能。
机械处理提高纤维致密性：采用机械处理技术，使纤维结构更加紧密，减少了缺陷和空隙，提高了纤维的强度和韧性。
突出的力学性能
研究团队通过微尺度高速冲击拉伸实验，深入研究了碳纳米管纤维在高应变率加载下的力学行为。实验结果表明：
- 随着应变率提高，纤维发生韧脆失效模式转变，展现出显著的应变率强化效应。
- 当应变率约1400 s-1时，纤维动态强度达14 GPa，超过了现有高性能纤维。
- 在高速加载条件下，纤维中碳纳米管的断裂比例更高，断裂模式从碳纳米管管间滑移转变为更多碳纳米管的断裂，从而赋予纤维优异的动态力学性能。
应用前景与意义
这一突破性研究成果展现了碳纳米管纤维在多个领域的巨大应用潜力：
冲击防护领域：由于其优异的动态力学性能，这种高性能碳纳米管纤维在防弹衣、防护装备等领域具有广阔的应用前景。
航空航天领域：碳纳米管纤维的轻质高强特性使其成为航空航天材料的理想选择，有望用于制造更轻、更强的飞行器结构件。
先进复合材料：作为增强纤维，碳纳米管纤维可以与树脂等基体材料复合，制备出性能更优的复合材料，应用于高端制造领域。
这一研究成果不仅突破了碳纳米管纤维制备的技术瓶颈，也为未来高性能纤维材料的发展开辟了新的方向。随着进一步的研究和产业化推进，这种高性能碳纳米管纤维有望在多个高技术领域发挥重要作用。