超强碳纳米管纤维，最新Science！

一、【导读】

对材料极致性能的追求一直是人类社会发展的重要推动力之一，材料的力学强度是材料众多性能中被人类极为看重的一种性能。超强纤维有着极为广阔的应用前景，例如高性能运动器材、防弹衣、大飞机、大型运载火箭、超级建筑等。因此美国航空航天局（NASA）在2005年设置了一个“超强纤维挑战赛”（Strong Tether Challenge）并将其作为世纪挑战，希望找到一种比强度（即单位质量强度）高达7.5 GPa/(g/cm³)的宏观超强纤维材料。遗憾的是，直到2011年这个竞赛取消这个目标都没能实现。一些高性能纤维，如超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、聚对苯-2,6-苯并二恶唑（PBO）和芳纶纤维已经被开发出来，并在现代工业中发挥着至关重要的作用。尽管取得了这些成就，但高性能纤维的制造仍然受到日益增长的工业需求的驱动。一个有前景的途径是将超高性能纳米材料组装成宏观结构。

固有强度超过100GPa的碳纳米管（CNT）被认为是构建高性能和多功能纤维的有前途的构建块，用于准静态和动态环境中的应用。然而，碳纳米管纤维（CNTF）的准静态和动态力学性能受到纺丝过程中形成的较差的界面相互作用、低纳米管排列和高孔隙率的限制。为了解决这些问题，已经开发了各种后处理方法来改变CNTF的分级结构，包括溶液致密化、机械处理和热退火。然而，CNTFs的拉伸强度（<10GPa），尤其是动态强度，远低于单个CNT（>100GPa）的拉伸强度，表明CNTFs仍有很大的强度提高空间。

二、【成果掠影】

基于此，北京大学张锦院士、北京石墨烯研究院蹇木强研究员、武汉大学高恩来副教授、中国科学院力学研究所吴先前研究员和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张永毅研究员等人联合报道了一种优化分层结构的策略，包括渐进拉伸、注入PBO纳米纤维和分子链（简称PBO）以及机械滚动，以改善CNTF的界面相互作用、纳米管排列和致密化，制造了动态强度为14 GPa且具有出色能量吸收能力的碳纳米管纤维。纤维的动态性能归因于高应变速率加载过程中单个纳米管的同时断裂和冲击能量的离域，这些行为是由于界面相互作用、纳米管排列和致密化的改善。这项工作提出了一种在宏观尺度上利用单个碳纳米管强度的有效策略，并提供了新的机制见解。该论文以题为“Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa”发表在知名期刊Science上，第一单位为北京大学。

三、【数据概览】

图1 CNTF的制备、形貌和机械性能© 2024 AAAS

图2 CNTF的结构表征© 2024 AAAS

图3 CNTF的机械性能© 2024 AAAS

图4 CNTF动态性能的机理分析© 2024 AAAS

四、【成果启示】

综上，研究人员通过优化分层结构的策略，开发了一种制备动态强度为14GPa的CNTF。这种策略可以改善纤维内的界面相互作用、纳米管排列和致密化。多尺度分析结合实验证据表明，碳纳米管的动态性能主要是由于单个纳米管的同时断裂和高应变速率加载过程中发生的异常冲击能量离域。本研究为在宏观尺度上利用单个CNT的固有强度来制备抗冲击纤维材料提供了一条可行的途径。

文献链接：Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa(Science2024,384, 1318-1323)

本文由大兵哥供稿。