Science | 张锦课题组与合作者在高动态强度碳纳米管纤维研究中取得进展

碳纳米管具有轻质、高强高模、高导电、高导热等优异特性,被认为是一代高性能纤维的理想组装基元然而,受限于纳米管尺度组装难题碳纳米管纤维的强度远低于其理论强度

 

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、北京石墨烯研究院木强副研究员、中科院力学所吴先前研究员、武汉大学高恩来教授、中科院苏州纳米所/中国科学技术大学/江西省纳米技术研究院张永毅研究员等紧密合作,2024621Science杂志在线发表了题为“Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa研究论文。该工作提出一种动态强度碳纳米管纤维的制备方法通过引入聚对苯撑苯并二噁唑(PBO增强碳纳米管管间作用、机械训练提高取向性和机械处理提高纤维致密性,获得了动态强度高达14 GPa的碳纳米管纤维

 

论文截图

 

1 碳纳米管纤维的制备、结构与性能。(A)多尺度结构优化策略制备高性能碳纳米管纤维;B-D碳纳米管纤维结构表征;(E碳纳米管纤维与其他纤维的力学性能对比

 

研究团队通过微尺度高速冲击拉伸实验深入研究了碳纳米管纤维在高应变率加载下的力学行为。随着应变率提高,纤维发生韧脆失效模式转变,展现出显著的应变率强化效应。当应变率1400 s–1时,纤维动态强度达14 GPa,超过了现有高性能纤维表明碳纳米管纤维在冲击防护领域具有巨大应用潜力实验和模拟结果表明,碳纳米管管间作用、取向性和纤维致密性是纤维力学性能提升的关键。在高速加载条件下纤维中碳纳米管断裂比例更高纤维断裂模式从碳纳米管间滑移转变为幸运28论坛碳纳米管断裂,从而赋予纤维优异的动态力学性能

 

2 碳纳米管纤维的力学性能。A碳纳米管纤维在准静态加载下的应力-应变曲线;(B碳纳米管纤维在准静态加载下的拉伸强度、杨氏模量和韧性;(C)不同纤维的比能量吸收和纵波波速对比;(D碳纳米管纤维在应变率加载下的应力-应变曲线;(E不同应变率加载碳纳米管纤维拉伸强度;(F)碳纳米管纤维与其他纤维的动态强度对比;(G不同应变率加载碳纳米管纤维动态韧性;(H激光诱导高速横向冲击纤维的示意图;(I不同纤维的比能量耗散功率

 

北京大学化学与分子工程学院博士后张馨时、中科院力学所博士雷旭东、武汉大学博士研究生贾向论文共同第一作者。该研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委、北京市科学技术委员会和北京分子科学国家研究中心等联合资助

 

原文链接:http://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1082


排版:高杨
审核:李玲,彭海琳

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