14 GPa！北京大学团队打造超级碳纳米管纤维，强度破纪录！ -山东化工网

14 GPa！北京大学团队打造超级碳纳米管纤维，强度破纪录！

文章来源：贤集网更新时间：2024-08-12 11:33:34

碳纳米管，这一微观世界的奇妙构造，以其独特的结构和卓越的性能，成为了科学家们探索的焦点。它们由碳原子组成的管状结构，具有极高的强度、导电性和导热性。而当这些神奇的碳纳米管被巧妙地编织成纤维时，一种全新的材料应运而生——碳纳米管纤维。

北京大学的科研团队，凭借着敏锐的科学洞察力和无畏的探索精神，率先投身于这一领域的研究。近日，北京大学化学与分子工程学院/材料科学与工程学院/北京石墨烯研究院张锦院士和团队，制备出一种动态强度高达 14GPa 的碳纳米管纤维，远远超过已有高性能纤维的性能。

一、碳纳米管纤维的“吸引力”

碳纳米管和石墨烯均是一类由碳原子 sp2 杂化六元环结构组成的低维碳材料，相比传统材料展现出优异的特性，被认为是新一代高性能纤维的理想组装基元。

尤其是作为一维管状纳米碳材料，碳纳米管具有轻质、高强、高模、高导电、高导热等优异特性。

其理论强度 100-200GPa，理论模量大于 1000GPa，电导率大约为 108S/m，热导率大约为 6600W/(mK)。

当将碳纳米管沿轴向定向排列，就能组成碳纳米管纤维。碳纳米管纤维集成了优良的机械和电气性能以及优越的柔韧性。碳纳米管纤维具有轻质、高强、高模的特性，其理论强度为100-200GPa，理论模量大于1000GPa。

然而，受限于碳纳米管的跨尺度组装难题，碳纳米管纤维会存在高孔隙率、低取向度、弱管间作用等问题，以至于碳纳米管纤维的性能仍远远低于其理论数值。

二、14GPa 的奇迹：性能与优势解析

（一）超强的力学性能

14GPa 的动态强度，意味着碳纳米管纤维能够承受巨大的外力而不发生断裂。这种超强的力学性能，使其在众多领域展现出了无与伦比的应用潜力。与传统材料相比，如钢铁、铝合金等，碳纳米管纤维在相同重量下的强度要高出数倍。

当应变率约1400s–1时，纤维的动态强度高达14GPa，远远超过其他高性能纤维。在高应变率加载下，纤维会发生韧脆失效模式的转变，展现出显著的应变率强化效应。在模拟弹道冲击加载下，由于冲击能量的快速非局域耗散，纤维表现出优异的防护性能，其比能量耗散功率达到（8.7±1.0）×1013mkg–1s–1，远高于凯夫拉等传统防弹纤维。

（二）优异的导电性和导热性

除了惊人的力学强度，碳纳米管纤维还保持了碳纳米管本身优异的导电性和导热性。这使得它在电子器件、散热材料等领域有着广阔的应用前景。

（三）轻质与高性能的完美结合

碳纳米管纤维的另一个显著优势是其轻质的特点。在强度远超传统材料的同时，重量却大大减轻。这种轻质高性能的特性，使其成为航空航天、汽车工业等领域追求轻量化和高性能的理想选择。

（四）抗冲击性能强：在冲击防护领域具有巨大的应用潜力，例如可用于飞行器的蒙皮材料以防止碎片撞击，或制成空间捕捉网以捕获和回收空间碎片，也可用于轨道交通的一些关键承载和吸能部件等。

为了获得这些性能，研究团队提出了一种碳纳米管纤维多尺度结构优化策略。他们对浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管纤维进行纯化/功能化处理，然后将纤维置于聚合物（PBO）/氯磺酸溶液中进行机械训练处理，并进一步经过机械致密化处理，从而制备出了具有强管间作用、高取向性和高致密性的碳纳米管纤维。

其优异力学性能的来源主要在于碳纳米管的管间作用、取向性和纤维致密性的协同提升。原位拉曼测试和分子动力学模拟结果表明，PBO与碳纳米管之间具有强相互作用，提高了碳纳米管的管间作用和应力传递。粗粒化模拟结果显示，在机械训练过程中，PBO的加入会降低纤维孔隙，提高致密度，减小应力集中。在高速加载条件下，纤维中碳纳米管的断裂比例更高，纤维断裂模式从碳纳米管管间滑移转变为更多碳纳米管的协同断裂，从而赋予了纤维优异的动态力学性能。

三、应用领域的拓展：从梦想照进现实

（一）航空航天的新宠

在航空航天领域，重量的减轻意味着燃料消耗的降低和飞行性能的提升。碳纳米管纤维的出现，为制造更轻、更强的飞行器结构提供了可能。

从飞机的机身部件到卫星的结构材料，碳纳米管纤维有望彻底改变航空航天材料的格局。

（二）汽车工业的革命

在汽车工业中，碳纳米管纤维可以用于制造车身结构、发动机部件等。不仅能够提高汽车的安全性和性能，还有助于降低燃油消耗和尾气排放。

想象一下，未来的汽车更加轻盈、高效，而碳纳米管纤维将在其中发挥关键作用。

（三）电子与能源领域的创新

在电子领域，碳纳米管纤维可以用于制造柔性电子器件、高性能导线等。其优异的导电性将推动电子设备的性能提升和小型化。

在能源领域，它可以作为新型的储能材料，提高电池的能量密度和充放电速度。

（四）医疗与防护领域的应用

在医疗领域，碳纳米管纤维可以用于制造人工器官、生物传感器等。其良好的生物相容性和力学性能为医疗技术的发展带来了新的机遇。

在防护领域，如防弹衣、防切割手套等，碳纳米管纤维的高强度能够提供更可靠的保护。

四、未来展望：无限可能的延续

虽然已经取得了巨大的突破，但碳纳米管纤维的技术仍有待进一步完善。未来，科学家们将致力于提高生产效率、降低成本，使这一神奇的材料能够更广泛地应用于实际生产中。

随着研究的深入，碳纳米管纤维可能会展现出更多未曾发现的性能。这将为其应用领域的拓展提供更多的可能性。

碳纳米管纤维的广泛应用，将对社会的发展产生深远的影响。从改变人们的出行方式到提升医疗水平，从推动工业生产的变革到促进环境保护，其潜力不可估量。

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