碳納米管被認(rèn)為是目前人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度最高的幾種材料之一，其楊氏模量高達(dá)1 TPa以上，拉伸強(qiáng)度高達(dá)100 GPa以上（比強(qiáng)度更是高達(dá)62.5 GPa/(g/cm3)），超過(guò)T1000碳纖維強(qiáng)度10倍以上。理論計(jì)算表明，碳納米管是目前唯一有可能幫助我們實(shí)現(xiàn)太空電梯夢(mèng)想的材料。如何將一根根碳納米管組裝后仍保持其單根的優(yōu)異力學(xué)性能是制備超強(qiáng)纖維必須首先解決的問(wèn)題。然而，目前已報(bào)道的碳納米管纖維的強(qiáng)度只有0.5~8.8 GPa，遠(yuǎn)低于碳納米管理論強(qiáng)度（>100 GPa）。主要原因是形成纖維的碳納米管長(zhǎng)度較短，單元體之間以范德華力相互搭接，在拉力作用下極易發(fā)生相互滑移，無(wú)法充分利用碳納米管固有的本征高強(qiáng)度。此外，碳納米管內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷、雜亂的取向等都會(huì)導(dǎo)致纖維強(qiáng)度的下降。相比之下，超長(zhǎng)碳納米管具有厘米甚至分米以上的長(zhǎng)度并且具有完美的結(jié)構(gòu)、一致的取向和接近理論極限的力學(xué)性能，在制備超強(qiáng)纖維方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。
在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)的支持下，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)與李喜德教授團(tuán)隊(duì)合作研究，在超強(qiáng)碳納米管纖維領(lǐng)域取得突破，在世界上首次報(bào)道了接近單根碳納米管理論強(qiáng)度的超長(zhǎng)碳納米管管束的制備。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用原位氣流聚焦的方法，可控地制備了具有確定組成、結(jié)構(gòu)完美且平行排列的厘米級(jí)連續(xù)超長(zhǎng)碳納米管管束，巧妙避免了上述的限制因素。通過(guò)制備含有不同數(shù)量單元的超長(zhǎng)碳納米管管束，定量分析其組成和結(jié)構(gòu)對(duì)超長(zhǎng)碳納米管管束力學(xué)性能的影響，建立了確定的物理/數(shù)學(xué)模型。提出了一種“同步張弛”的策略，通過(guò)納米操縱來(lái)釋放管束中碳納米管的初始應(yīng)力，使其處于一個(gè)較窄的分布范圍，進(jìn)而可將碳納米管管束的拉伸強(qiáng)度提高到80 GPa以上，接近單根碳納米管的拉伸強(qiáng)度。所報(bào)道的超長(zhǎng)碳納米管管束拉伸強(qiáng)度優(yōu)于目前發(fā)現(xiàn)的所有其他纖維材料。這項(xiàng)工作揭示了超長(zhǎng)碳納米管用于制造超強(qiáng)纖維的光明前景，同時(shí)為發(fā)展新型超強(qiáng)纖維指明了方向和方法。
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