科学家在《科学》发表高动态强度纤维研究成果

碳纳米管具有轻质、高强、高模、高导电、高导热等优异特性,被认为是新一代高性能纤维的理想组装基元。然而,受限于纤维结构组装的挑战,碳纳米管宏观组装纤维的强度仍远低于其理想强度。北京大学、武汉大学等高校研究团队紧密合作,提出了一种高动态强度碳纳米管纤维的制备方法:引入PBO增强碳纳米管管间作用、机械训练提高取向度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。相关成果6月20日刊发在《科学》(Science)上。

研究团队基于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。当应变率约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的应用潜力。实验和多尺度理论计算分析表明,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,纤维中碳纳米管的断裂比例显著提升,纤维断裂模式从碳纳米管管间滑移转变为更多碳纳米管的协同断裂,从而赋予了纤维优异的动态力学性能。

该研究由北京大学张锦院士、北京石墨烯研究院(BGI)蹇木强副研究员团队联合武汉大学土木建筑工程学院工程力学系高恩来副教授、中国科学院力学研究所吴先前研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张永毅研究员团队合作完成。北京大学博士后张馨时、中国科学院力学研究所特别研究助理雷旭东、武汉大学博士生贾向正为论文共同第一作者,张永毅研究员、吴先前研究员、高恩来副教授、蹇木强副研究员、张锦院士为论文共同通讯作者。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1082