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14 GPa！北京大學團隊打造超級碳納米管纖維，強度破紀錄！

文章來源：賢集網更新時間：2024-08-12 11:33:34

碳納米管，這一微觀世界的奇妙構造，以其獨特的結構和卓越的性能，成為了科學家們探索的焦點。它們由碳原子組成的管狀結構，具有極高的強度、導電性和導熱性。而當這些神奇的碳納米管被巧妙地編織成纖維時，一種全新的材料應運而生——碳納米管纖維。

北京大學的科研團隊，憑借著敏銳的科學洞察力和無畏的探索精神，率先投身于這一領域的研究。近日，北京大學化學與分子工程學院/材料科學與工程學院/北京石墨烯研究院張錦院士和團隊，制備出一種動態強度高達 14GPa 的碳納米管纖維，遠遠超過已有高性能纖維的性能。

一、碳納米管纖維的“吸引力”

碳納米管和石墨烯均是一類由碳原子 sp2 雜化六元環結構組成的低維碳材料，相比傳統材料展現出優異的特性，被認為是新一代高性能纖維的理想組裝基元。

尤其是作為一維管狀納米碳材料，碳納米管具有輕質、高強、高模、高導電、高導熱等優異特性。

其理論強度 100-200GPa，理論模量大于 1000GPa，電導率大約為 108S/m，熱導率大約為 6600W/(mK)。

當將碳納米管沿軸向定向排列，就能組成碳納米管纖維。碳納米管纖維集成了優良的機械和電氣性能以及優越的柔韌性。碳納米管纖維具有輕質、高強、高模的特性，其理論強度為100-200GPa，理論模量大于1000GPa。

然而，受限于碳納米管的跨尺度組裝難題，碳納米管纖維會存在高孔隙率、低取向度、弱管間作用等問題，以至于碳納米管纖維的性能仍遠遠低于其理論數值。

二、14GPa 的奇跡：性能與優勢解析

（一）超強的力學性能

14GPa 的動態強度，意味著碳納米管纖維能夠承受巨大的外力而不發生斷裂。這種超強的力學性能，使其在眾多領域展現出了無與倫比的應用潛力。與傳統材料相比，如鋼鐵、鋁合金等，碳納米管纖維在相同重量下的強度要高出數倍。

當應變率約1400s–1時，纖維的動態強度高達14GPa，遠遠超過其他高性能纖維。在高應變率加載下，纖維會發生韌脆失效模式的轉變，展現出顯著的應變率強化效應。在模擬彈道沖擊加載下，由于沖擊能量的快速非局域耗散，纖維表現出優異的防護性能，其比能量耗散功率達到（8.7±1.0）×1013mkg–1s–1，遠高于凱夫拉等傳統防彈纖維。

（二）優異的導電性和導熱性

除了驚人的力學強度，碳納米管纖維還保持了碳納米管本身優異的導電性和導熱性。這使得它在電子器件、散熱材料等領域有著廣闊的應用前景。

（三）輕質與高性能的完美結合

碳納米管纖維的另一個顯著優勢是其輕質的特點。在強度遠超傳統材料的同時，重量卻大大減輕。這種輕質高性能的特性，使其成為航空航天、汽車工業等領域追求輕量化和高性能的理想選擇。

（四）抗沖擊性能強：在沖擊防護領域具有巨大的應用潛力，例如可用于飛行器的蒙皮材料以防止碎片撞擊，或制成空間捕捉網以捕獲和回收空間碎片，也可用于軌道交通的一些關鍵承載和吸能部件等。

為了獲得這些性能，研究團隊提出了一種碳納米管纖維多尺度結構優化策略。他們對浮動催化化學氣相沉積法制備的碳納米管纖維進行純化/功能化處理，然后將纖維置于聚合物（PBO）/氯磺酸溶液中進行機械訓練處理，并進一步經過機械致密化處理，從而制備出了具有強管間作用、高取向性和高致密性的碳納米管纖維。

其優異力學性能的來源主要在于碳納米管的管間作用、取向性和纖維致密性的協同提升。原位拉曼測試和分子動力學模擬結果表明，PBO與碳納米管之間具有強相互作用，提高了碳納米管的管間作用和應力傳遞。粗粒化模擬結果顯示，在機械訓練過程中，PBO的加入會降低纖維孔隙，提高致密度，減小應力集中。在高速加載條件下，纖維中碳納米管的斷裂比例更高，纖維斷裂模式從碳納米管管間滑移轉變為更多碳納米管的協同斷裂，從而賦予了纖維優異的動態力學性能。

三、應用領域的拓展：從夢想照進現實

（一）航空航天的新寵

在航空航天領域，重量的減輕意味著燃料消耗的降低和飛行性能的提升。碳納米管纖維的出現，為制造更輕、更強的飛行器結構提供了可能。

從飛機的機身部件到衛星的結構材料，碳納米管纖維有望徹底改變航空航天材料的格局。

（二）汽車工業的革命

在汽車工業中，碳納米管纖維可以用于制造車身結構、發動機部件等。不僅能夠提高汽車的安全性和性能，還有助于降低燃油消耗和尾氣排放。

想象一下，未來的汽車更加輕盈、高效，而碳納米管纖維將在其中發揮關鍵作用。

（三）電子與能源領域的創新

在電子領域，碳納米管纖維可以用于制造柔性電子器件、高性能導線等。其優異的導電性將推動電子設備的性能提升和小型化。

在能源領域，它可以作為新型的儲能材料，提高電池的能量密度和充放電速度。

（四）醫療與防護領域的應用

在醫療領域，碳納米管纖維可以用于制造人工器官、生物傳感器等。其良好的生物相容性和力學性能為醫療技術的發展帶來了新的機遇。

在防護領域，如防彈衣、防切割手套等，碳納米管纖維的高強度能夠提供更可靠的保護。

四、未來展望：無限可能的延續

雖然已經取得了巨大的突破，但碳納米管纖維的技術仍有待進一步完善。未來，科學家們將致力于提高生產效率、降低成本，使這一神奇的材料能夠更廣泛地應用于實際生產中。

隨著研究的深入，碳納米管纖維可能會展現出更多未曾發現的性能。這將為其應用領域的拓展提供更多的可能性。

碳納米管纖維的廣泛應用，將對社會的發展產生深遠的影響。從改變人們的出行方式到提升醫療水平，從推動工業生產的變革到促進環境保護，其潛力不可估量。

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來源：賢集網
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