碳納米管具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等優(yōu)異特性，被認(rèn)為是新一代高性能纖維的理想組裝基元。然而，受限于碳納米管跨尺度組裝難題，碳納米管纖維的強(qiáng)度仍遠(yuǎn)低于其理論強(qiáng)度。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院/材料科學(xué)與工程學(xué)院張錦院士、北京石墨烯研究院蹇木強(qiáng)副研究員、武漢大學(xué)高恩來副教授、中科院力學(xué)所吳先前研究員、中國科學(xué)院蘇州納米所/江西省納米技術(shù)研究院/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張永毅研究員等緊密合作，于2024年6月21日在Science雜志在線發(fā)表了題為“Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa”研究論文。該工作提出一種高動態(tài)強(qiáng)度碳納米管纖維的制備方法，通過引入聚對苯撐苯并二噁唑（PBO）增強(qiáng)碳納米管管間作用、機(jī)械訓(xùn)練提高取向性和機(jī)械處理提高纖維致密性，獲得了動態(tài)強(qiáng)度高達(dá)14 GPa的碳納米管纖維。
論文截圖
圖1 碳納米管纖維的制備、結(jié)構(gòu)與性能。（A）多尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略制備高性能碳納米管纖維；（B-D）碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)表征；（E）碳納米管纖維與其他纖維的力學(xué)性能對比。
研究團(tuán)隊通過微尺度高速沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)深入研究了碳納米管纖維在高應(yīng)變率加載下的力學(xué)行為。隨著應(yīng)變率提高，纖維發(fā)生韌脆失效模式轉(zhuǎn)變，展現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)變率約1400 s–1時，纖維動態(tài)強(qiáng)度達(dá)14 GPa，超過了現(xiàn)有高性能纖維，表明碳納米管纖維在沖擊防護(hù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，碳納米管管間作用、取向性和纖維致密性是纖維力學(xué)性能提升的關(guān)鍵。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(zhuǎn)變?yōu)楦嗵技{米管的斷裂，從而賦予纖維優(yōu)異的動態(tài)力學(xué)性能。
圖2 碳納米管纖維的力學(xué)性能。（A）碳納米管纖維在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（B）碳納米管纖維在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和韌性；（C）不同纖維的比能量吸收和縱波波速對比；（D）碳納米管纖維在高應(yīng)變率加載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（E）不同應(yīng)變率加載下碳納米管纖維的拉伸強(qiáng)度；（F）碳納米管纖維與其他纖維的動態(tài)強(qiáng)度對比；（G）不同應(yīng)變率加載下碳納米管纖維的動態(tài)韌性；（H）激光誘導(dǎo)高速橫向沖擊纖維的示意圖；（I）不同纖維的比能量耗散功率。
江西省納米技術(shù)研究院前身是中國科學(xué)院蘇州納米所南昌研究院，成立于2016年5月，2021年7月更名為江西省納米技術(shù)研究院，是江西省第一家省級新型研發(fā)機(jī)構(gòu)，2019年獲批江西省烯碳材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2023年重組獲批烯碳材料江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高性能纖維材料是實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)研發(fā)方向之一，張永毅研究員擔(dān)任該重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。