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iNature · 公众号 · · 2024-06-21 10:31

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高动态强度对于在高应变率环境中使用的纤维材料至关重要。碳纳米管纤维是最有前途的候选纤维之一。

2024年6月20日，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在 Science 在线发表题为“ Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa ”的研究论文， 该研究采用优化分层结构的策略，制备出动态强度为14 GPa且吸能性能优异的碳纳米管纤维。

在高应变率加载过程中，单个纳米管的同时断裂和冲击能量的离域是纤维动态性能的主要原因；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。

超高动态强度和吸能纤维材料在高应变率应用中是必需的，例如对飞机和航天器的弹道冲击和无法追踪的碎片冲击。纤维材料的抗冲击性能与层次结构密切相关，从纳米尺度的单个构建块开始，然后移动到微纤维，最后到宏观整体，这提供了各种方法来耗散机械能。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚对苯-2,6-苯并异恶唑(PBO)、芳纶纤维等几种高性能纤维已被开发出来，并在现代工业中发挥着重要作用。 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推动。一个有希望的途径是将超高性能纳米材料组装成宏观结构。

具有超过100 GPa的固有强度的碳纳米管(CNTs)被认为是在准静态和动态环境中构建高性能和多功能纤维的有前途的基础材料。例如，Xie等人使用频闪量化方法证明了碳纳米管纤维(CNTFs)在高应变率环境中的潜在应用。三种纺丝方法用于制备CNTFs，包括湿法纺丝、垂直排列阵列纺丝和直接气凝胶纺丝。其中，直接气凝胶纺丝有望连续和可扩展地制造由高纵横比碳纳米管(18-20)组成的超强纤维。然而，CNTFs的准静态和动态力学性能受到纺丝过程中界面相互作用差、纳米管排列低和孔隙率高的限制。为了解决这些问题，已经开发了各种后处理方法来修改CNTFs的分层结构，包括溶液致密化，机械处理和热退火。 然而，CNTFs的抗拉强度(<10 GPa)，特别是动态强度远低于单个CNTs (>100 GPa)，表明CNTFs的强度仍有很大的提升空间。

CNTFs的制备、形态和力学性能（图源自 Science ）

该研究开发了一种制造动态强度为14 GPa的CNTFs的策略。这种策略可以改善界面相互作用、纳米管排列和纤维内部的致密化。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在高应变率加载过程中单个纳米管的同时断裂和异常的冲击能量离域造成的。 该研究为在宏观尺度上利用单个碳纳米管的固有强度来制造抗冲击纤维材料提供了一条可行的途径。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1082

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