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世界首次:清華大學成功制備超長碳納米管管束

發布日期:2018-06-04 15:12:14 【關閉】
摘要:在國家重點研發計劃“納米科技”重點專項的支持下,清華大學魏飛教授團隊與李喜德教授團隊合作研究,在超強碳納米管纖維領域取得突破,在世界上首次報道了接近單根碳納米管理論強度的超長碳納米管管束的制備。

幸运彩票快三开奖查询 www.nkteqk.com.cn 在國家重點研發計劃“納米科技”重點專項的支持下,清華大學魏飛教授團隊與李喜德教授團隊合作研究,在超強碳納米管纖維領域取得突破,在世界上首次報道了接近單根碳納米管理論強度的超長碳納米管管束的制備。

碳納米管被認為是目前人類發現的強度最高的幾種材料之一,其楊氏模量高達1 TPa以上,拉伸強度高達100 GPa以上(比強度更是高達62.5 GPa/(g/cm3)),超過T1000碳纖維強度10倍以上。理論計算表明,碳納米管是目前唯一有可能幫助我們實現太空電梯夢想的材料。 

如何將一根根碳納米管組裝后仍保持其單根的優異力學性能是制備超強纖維必須首先解決的問題。然而,目前已報道的碳納米管纖維的強度只有0.5~8.8 GPa,遠低于碳納米管理論強度(>100 GPa)。主要原因是形成纖維的碳納米管長度較短,單元體之間以范德華力相互搭接,在拉力作用下極易發生相互滑移,無法充分利用碳納米管固有的本征高強度。

此外,碳納米管內的結構缺陷、雜亂的取向等都會導致纖維強度的下降。相比之下,超長碳納米管具有厘米甚至分米以上的長度并且具有完美的結構、一致的取向和接近理論極限的力學性能,在制備超強纖維方面具有巨大的優勢。

魏教授與李教授研究團隊通過采用原位氣流聚焦的方法,可控地制備了具有確定組成、結構完美且平行排列的厘米級連續超長碳納米管管束,巧妙避免了上述的限制因素。通過制備含有不同數量單元的超長碳納米管管束,定量分析其組成和結構對超長碳納米管管束力學性能的影響,建立了確定的物理/數學模型。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力,使其處于一個較窄的分布范圍,進而可將碳納米管管束的拉伸強度提高到80 GPa以上,接近單根碳納米管的拉伸強度。所報道的超長碳納米管管束拉伸強度優于目前發現的所有其他纖維材料。

這項工作揭示了超長碳納米管用于制造超強纖維的光明前景,同時為發展新型超強纖維指明了方向和方法。相關成果于2018年5月14日在線發表于《自然—納米技術》(Nature Nanotechnology)上。