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《碳纳米管束的拉伸强度超过80 GPa。》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2018-05-17

  • 碳纳米管(CNTs)是已知的最重要的材料之一。然而，当它们被组装成纤维时，它们的强度会因缺陷、杂质、随机的方向和不连续的长度而受损。制造CNT纤维的强度达到单一CNT是一个持久的挑战。在这里，我们演示了CNT包(CNTBs)的制作，它的长度为厘米，其抗拉强度超过80 GPa，使用的是ultralong无缺陷的CNTs。CNTBs的抗拉强度受丹尼尔斯效应的控制，其原因是组分的初始应变不均匀。我们建议同步收紧和放松策略，以释放这些不均匀的初始应变。由大量具有平行排列、无缺陷结构、连续长度和均匀初始应变的构件组成的CNTBs，其抗拉强度为80 GPa(相当于43 GPa的工程抗拉强度)，远高于其他任何强纤维。

    ——文章发布于2018年5月14日

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    • 发布时间：2018-05-17
    • 从清华大学化工系魏飞教授团队获悉，该团队与清华大学航天航空学院李喜德教授团队合作，在超强碳纳米管纤维领域取得重大突破——在世界上首次报道了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束，其拉伸强度超越已知所有其他纤维材料。 碳纳米管被认为是目前发现的最强的几种材料之一，理论计算表明，其是目前唯一可能帮助我们实现太空电梯梦想的材料。然而，当单根碳纳米管被制备成宏观材料时，其性能往往“大打折扣”，远低于理论值。 魏飞对记者解释称：“以前认为主要原因是碳纳米管有缺陷，形成纤维的碳纳米管长度较短，在拉力作用下易从缺陷处断裂并极易相互滑移。” 而超长碳纳米管的长度可达厘米级甚至分米级且具有完美结构，具有接近理论极限的力学性能，在制备超强纤维方面具有巨大优势。据魏飞介绍，研究团队采用气流聚焦法，制备出了具有确定组成、结构完美且平行排列的厘米级连续超长碳纳米管管束，然后另辟蹊径，将管束的拉伸强度提高到80GPa以上，接近单根碳纳米管的拉伸强度，并证明随碳纳米管根数增加，强度可以保持。 魏飞介绍称，用这种制备超强碳纳米管束的新方法，与该团队的超长碳纳米管的宏量制备方法结合，可研制出超长且超强碳纳米管纤维，为下一代结构材料的产业化奠定基础。超强纤维有望在大飞机、大型运载火箭、超级建筑等多个领域大显身手。 这项研究得到了国家自然科学基金委和国家重大研究发展计划的资助，相关成果发表于日前出版的《自然·纳米技术》在线版。
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  • 《苏州纳米所李清文团队成功实现>7GPa碳纳米管纤维制备》
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    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-10-18
    • 　　碳纳米管纤维（Carbon nanotube fiber, CNTF）是由大量一维碳纳米管组装而成的宏观纤维材料，其碳纳米管组装单元（CNT）在理论上具备超高的力学与电学性能，使得碳纳米管纤维展现出兼具金属纤维、高分子纤维及碳纤维的综合性优势。在多种碳纳米管纤维常用制备方法中，浮动催化直接纺丝法（floating catalysis chemical vapor deposition, FCCVD）由于具有极高的制备效率，被认为是碳纳米管纤维宏量制备的关键技术。然而，该方法制备的碳纳米管纤维存在着大量的碳纳米管弯曲、缠结及管间孔隙等缺陷，限制了纤维性能的充分发挥以及实际应用。为此，研究人员通过多种后处理手段进行浮动催化碳纳米管纤维的性能增强研究。总体而言，现有后处理手段往往只着重关注纤维中的某一类型缺陷，且关于纤维微观结构变化对纤维载荷传递与性能的影响机理尚不明晰，阻碍了碳纳米管纤维性能的进一步提升。因此，发展出可同时实现纤维再取向及致密化的综合后处理技术，已然成为高性能碳纳米管纤维研究与应用领域的关键。 　　本工作中，中国科学院苏州纳米所李清文团队开发出一种针对浮动催化法碳纳米管纤维的新型综合后处理增强策略，主要包括氯磺酸辅助牵伸取向与辊压致密，可实现碳纳米管纤维中碳纳米管取向度及管间堆积致密度的同步提升。此外，通过纤维表面及断面的高分辨SEM、广角X射线散射（WAXS）、偏振Raman光谱及BET分析等多种微观结构表征手段，揭示出纤维微观结构演变对纤维力电性能的影响及增强机理。研究表明，纤维内碳纳米管弯曲、缠结及管间孔隙等缺陷在后处理过程中得到显著降低，对纤维性能提升十分有利。进一步地，通过后处理参数优化，得到了综合性能优异的碳纳米管纤维，其中，纤维拉伸强度达到7.67 GPa，弹性模量达到230 GPa，电导率提升至4.36×106 S/m。 　　浮动催化碳纳米管纤维的多步后处理工艺，首先为氯磺酸辅助牵伸取向过程（图1a），碳纳米管纤维原丝进入氯磺酸中，发生质子化膨胀从而降低管间范德华作用，经过牵伸取向作用及凝固浴中凝固收缩致密作用，然后进行热退火去除纤维中的杂质（图1b），最后进行辊压致密化（图1c），从而实现碳纳米管纤维取向度和致密度的同步提升。 　　多步后处理过程中碳纳米管纤维微观结构发现显著变化，纤维表面及断面的SEM和纤维断面TEM表征结果显示，氯磺酸辅助牵伸可提升纤维内碳纳米管的取向度和排列致密度，而辊压致密化处理可进一步提升纤维致密度。 　图3a-c中通过密度和BET分析表征了纤维致密度及孔隙缺陷的变化情况，显示氯磺酸辅助牵伸和辊压过程均有效降低了碳纳米管纤维中孔隙缺陷，提升了纤维致密性。图3d-h通过WAXS表征了纤维中碳纳米管取向性的变化情况，图3i偏振Raman表征验证了纤维取向度变化，结果均显示纤维取向度的提升主要来自氯磺酸辅助牵伸过程，而辊压过程则可进一步少量提升纤维的取向度。 　　图4为多步后处理过程中的不同牵伸率、牵伸速率、凝固浴成分及辊压速度条件对碳纳米管纤维力学拉伸性能的影响，从而获得了多步后处理过程的最佳处理条件，牵伸率为16%，牵伸速率为0.058 m/min，凝固浴采用二氯甲烷（DCM），辊压速率为0.5 cm/min。同时，研究团队也研究了不同处理条件对碳纳米管纤维导电性的影响。 　　经过处理条件优化，研究团队制备的高性能碳纳米管纤维具有极高的力学、电学性能，其拉伸强度达到7.67 GPa，弹性模量达到230 GPa，电导率达到4.36×106 S/m。与传统高性能纤维相比，该高性能碳纳米管纤维具有高强、高导电的综合性能优势，同时，碳纳米管纤维还展现出良好的可加工性和电热转化性能。总体而言，本工作中碳纳米管纤维的力学与电学性能均达到浮动催化碳纳米管纤维领域中的最高水平。相关工作以Carbon nanotube fibers with excellent mechanical and electrical properties by structural realigning and densification为题发表于Nano Research，中国科学院苏州纳米所吴昆杰副研究员、博士生牛宇涛及江西省纳米技术研究院博士后王彬为论文的共同第一作者，通讯作者为中国科学院苏州纳米所张永毅研究员、勇振中研究员，北京石墨烯研究院蹇木强研究员和中国科学院苏州纳米所李清文研究员。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
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