近日,清華大學(xué)化工系魏飛教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)航天航空學(xué)院李喜德教授團(tuán)隊(duì)合作,在超強(qiáng)碳納米管纖維領(lǐng)域取得重大突破,在世界上首次報(bào)道了接近單根碳納米管理論強(qiáng)度的超長碳納米管管束,其拉伸強(qiáng)度超越了目前發(fā)現(xiàn)的所有其它纖維材料。相關(guān)成果以《拉伸強(qiáng)度超過80GPa的碳納米管管束》(Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa)為題,于5月14日在線發(fā)表于納米領(lǐng)域國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上。
超長碳納米管管束的結(jié)構(gòu)制備及力學(xué)性能
a. 碳納米管管束示意圖;b. 所用到的超長碳納米管的結(jié)構(gòu);c. 利用氣流聚焦法制備超長碳納米管管束的示意圖;d. 超長碳納米管在聚焦氣流下發(fā)生合并的模擬圖;e-i. 所制備的具有確定組成的超長碳納米管管束;j-k. 所制備的碳納米管管束的力學(xué)性質(zhì);l. 超長碳納米管管束與其他材料拉伸強(qiáng)度對比圖
對材料極致性能的追求一直是人類社會發(fā)展的重要推動力之一。材料的力學(xué)強(qiáng)度是材料眾多性能中被人類極為看重的一種性能。美國航空航天局(NASA)在2005年設(shè)置了一個“超強(qiáng)纖維挑戰(zhàn)競賽”(Strong Tether Challenge)并將其作為世紀(jì)挑戰(zhàn),希望找到一種比強(qiáng)度(即單位質(zhì)量強(qiáng)度)高達(dá)7.5GPa/(g/cm3)的宏觀超強(qiáng)纖維材料。遺憾的是,直到2011年這個競賽取消這個目標(biāo)都沒能實(shí)現(xiàn)。目前已知宏觀材料的比強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于7.5GPa/(g/cm3),比如鋼絲繩為0.05~0.33GPa/(g/cm3),碳纖維為0.5~3.5GPa/(g/cm3),高分子纖維為0.28~4.14GPa/(g/cm3)。此外,超強(qiáng)纖維在其他領(lǐng)域也有著極為廣闊的應(yīng)用前景,例如高性能運(yùn)動器材、防彈衣、大飛機(jī)、大型運(yùn)載火箭、超級建筑等。
碳納米管被認(rèn)為是目前發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的幾種材料之一,其楊氏模量高達(dá)1TPa以上,拉伸強(qiáng)度高達(dá)100GPa以上(比強(qiáng)度高達(dá)62.5GPa/(g/cm3)),超過T1000碳纖維強(qiáng)度10倍以上。理論計(jì)算研究表明,碳納米管是目前唯一可能幫助我們實(shí)現(xiàn)太空電梯夢想的材料。然而,當(dāng)單根力學(xué)性能優(yōu)異的碳納米管制備成宏觀材料時(shí),其性能往往遠(yuǎn)低于理論值。例如,已報(bào)道的碳納米管纖維的強(qiáng)度只有0.5~11.5 GPa(比強(qiáng)度0.3~7 GPa/(g/cm3) ),遠(yuǎn)低于碳納米管理論強(qiáng)度(>100GPa)。主要原因是形成纖維的碳納米管均長度較短,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,無法充分利用碳納米管的本征高強(qiáng)度。此外,碳納米管內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷和雜亂取向等都會導(dǎo)致纖維強(qiáng)度下降。
相比之下,超長碳納米管具有厘米甚至分米長度并且具有完美結(jié)構(gòu),具有一致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。研究團(tuán)隊(duì)通過采用原位氣流聚焦方法,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連續(xù)超長碳納米管管束,巧妙避免了上述限制因素。通過制備含有不同數(shù)量單元的超長碳納米管管束,定量分析其組成和結(jié)構(gòu)對超長碳納米管管束力學(xué)性能的影響,建立了確定的物理/數(shù)學(xué)模型。研究發(fā)現(xiàn),管束中碳納米管的初始應(yīng)力分布不均勻,從而使得管束中的碳納米管無法同步均勻受力,進(jìn)而導(dǎo)致了整體強(qiáng)度的下降,亦即“丹尼爾效應(yīng)”。據(jù)此,本研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“同步張弛”的策略,通過納米操縱來釋放管束中碳納米管的初始應(yīng)力,使其處于一個較窄的分布范圍,從而將碳納米管管束拉伸強(qiáng)度提高到80GPa以上,接近單根碳納米管的拉伸強(qiáng)度。數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明,對于含有無限數(shù)量的此類超長碳納米管形成的管束而言,在保證其長度連續(xù)、結(jié)構(gòu)完美、取向一致以及初始應(yīng)力分布均勻的前提下,其拉伸強(qiáng)度仍可逼近單根強(qiáng)度。
課題主要完成人合影。左起:葉璇、白云祥、魏飛、李喜德、張如范
這項(xiàng)工作揭示了超長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。審稿人評價(jià)說:“論文作者取得了一個具有里程碑意義的突破性進(jìn)展,在世界上首次報(bào)道了接近單根碳納米管強(qiáng)度的碳納米管管束。這項(xiàng)工作具有極其深遠(yuǎn)的影響力,它無疑會引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注”。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會和國家重大研究發(fā)展計(jì)劃資助。
論文共同第一作者為清華大學(xué)化工系2016級博士生白云祥、化工系青年教師張如范和航天航空學(xué)院力學(xué)系2017屆博士畢業(yè)生葉璇。論文共同通訊作者為清華大學(xué)化工系魏飛教授、張如范博士和航天航空學(xué)院李喜德教授。
過去十年間,魏飛團(tuán)隊(duì)在超長碳納米管生長機(jī)理、結(jié)構(gòu)可控制備、性能表征和應(yīng)用探索方面開展了大量研究,并取得了一系列重要突破。團(tuán)隊(duì)曾制備出單根長度達(dá)半米以上的碳納米管,并具有完美結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能,創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。此外,團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了宏觀長度碳納米管管層間的超潤滑現(xiàn)象,并實(shí)現(xiàn)了單根碳納米管宏觀尺度下的光學(xué)可視化及可控操縱。以上成果相繼發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)《自然·通訊》(Nature Communications)《化學(xué)會評論》(Chemical Society Reviews)《化學(xué)研究評述》(Accounts of Chemical Research)《先進(jìn)功能材料》(Advanced Materials)《美國化學(xué)學(xué)會·納米》(ACS Nano)《納米快報(bào)》(Nano Letters)等國際期刊上,引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,為開展超長碳納米管制備超強(qiáng)纖維打下了基礎(chǔ)。航天航空學(xué)院李喜德教授團(tuán)隊(duì)一直在微納米力學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究,在微尺度材料力學(xué)性能測量和表征方面開展了大量的研究工作,相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communication)、《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)、《科學(xué)報(bào)告》(Scientific Reports)、《納米技術(shù)》(Nanotechnology)、《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》(Applied physics Letters)等國際期刊。
Nature Nanotechnology為自然出版集團(tuán)旗下的月刊,2017年的影響因子為38.99,在納米科學(xué)與納米技術(shù)類期刊排名第一。