Nature Nanotech.：超强碳纳米管纤维领域取得重大进展

前苏联火箭专家Konstantin Tsiolkovsky早在1895年就曾提出一个梦想：人们是否可以在地球上建造一座太空电梯以使得人类或者物资更方便地进入太空？2005年3月23日，美国宇航局（NASA）正式宣布太空电梯已成为世纪挑战的首选项目。然而，制造太空电梯的关键是必须要有极其轻而且强的超级纤维构成的缆绳从地球延伸至外太空。若利用常规材料制备太空电梯，从地球到太空几十万公里的长度，仅材料本身的重量就足以把它们拉断。此外，不仅是太空电梯，超强纤维在其他领域（防弹衣、大飞机、大型运载火箭、飞轮、电池、高性能运动器材、超级悬索桥等）也有着极为广阔的应用前景和需求。

碳纳米管被认为是目前人类发现的最强的几种材料之一，其杨氏模量高达1 TPa以上，拉伸强度高达100 GPa以上（比强度更是高达62.5 GPa/(g/cm³)），超过T1000 碳纤维强度10倍以上。理论计算研究表明，碳纳米管是目前唯一有可能帮助我们实现太空电梯梦想的材料。在此基础上，如何将一根根碳纳米管组装起来之后仍然保持其单根的优异力学性能是制备超强纤维必须首先解决的问题。然而，目前已报道的碳纳米管纤维的强度只有0.5~8.8 GPa，远低于碳纳米管理论强度（>100 GPa）。主要原因是形成纤维的碳纳米管均长度较短，单元体之间以范德华力相互搭接，在拉力作用下极易发生相互滑移，远无法充分利用碳纳米管固有的本征高强度。此外，碳纳米管内的结构缺陷、杂乱的取向等都会导致纤维强度的下降。

相比之下，超长碳纳米管具有厘米甚至分米以上的长度并且具有完美的结构，一致的取向和接近理论极限的力学性能，在制备超强纤维方面具有巨大的优势。近日，清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学航天航空学院李喜德教授团队合作，在超强碳纳米管纤维领域取得了突破性的进展。研究团队采用原位气流聚焦的方法，可控地制备了具有确定组成、结构完美且平行排列的厘米级连续超长碳纳米管管束，巧妙避免了上述所述的限制因素。通过制备含有不同数量单元的超长碳纳米管管束，定量分析其组成和结构对超长碳纳米管管束力学性能的影响，建立了确定的物理/数学模型。研究发现，管束中碳纳米管的初始应力分布不均匀，从而使得管束中的碳纳米管无法同步均匀受力，进而导致了整体强度的下降，亦即“丹尼尔效应”。据此，研究团队提出了一种“同步张弛”的策略，通过纳米操纵来释放管束中碳纳米管的初始应力，使其处于一个较窄的分布范围，进而可将碳纳米管管束的拉伸强度提高到80 GPa以上，接近单根碳纳米管的拉伸强度，超越了目前人类发现的所有其他纤维材料。数学模型的结果表明，对于含有无限数量的此类超长碳纳米管形成的管束而言，在保证其长度连续，结构完美，取向一致以及初始应力分布均匀的前提下，其拉伸强度仍然可以逼近单根而几乎不受尺寸效应的影响。

图1. 超长碳纳米管管束的结构制备及力学性能。a. 碳纳米管管束示意图；b. 所用到的超长碳纳米管的结构；c. 利用气流聚焦法制备超长碳纳米管管束的示意图；d. 超长碳纳米管在聚焦气流下发生合并的模拟图；e-i. 所制备的具有确定组成的超长碳纳米管管束；j-k. 所制备的碳纳米管管束的力学性质；l. 超长碳纳米管管束与其他材料拉伸强度对比图。

相关成果以《Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa》（《拉伸强度超过80GPa的碳纳米管管束》）为题于2018年5月14日在线发表于纳米领域国际顶级学术期刊《自然—纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。论文的共同第一作者为清华大学化工系2016级博士生白云祥、化工系青年教师张如范助理研究员和航天航空学院固体力学系2017届博士毕业生叶璇。论文共同通讯作者为清华大学化工系魏飞教授、张如范助理研究员和航天航空学院李喜德教授。这项工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强纤维的光明前景，同时为我们发展新型超强纤维指明了方向和方法。审稿人评价说：“论文作者取得了一个具有里程碑意义的突破性进展，在世界上首次报道了接近单根碳纳米管强度的碳纳米管管束。这项工作具有深远的影响力，它无疑会引起世界范围内的广泛关注”。这项研究工作得到了国家自然科学基金委员会和国家重大研究发展计划资助。

在过去十年间，魏飞教授团队在超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征和应用探索方面开展了大量研究，并取得了一系列重要突破。团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，并具有完美结构和优异性能，创造了世界纪录。此外，团队首次发现了宏观长度碳纳米管管层间的超润滑现象，并实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵。以上成果相继发表在《自然•纳米技术》（Nature Nanotechnology）、《自然通讯》（Nature Communications）、《化学会评论》（Chemical Society Reviews）、《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）、《先进材料》（Advanced Materials）、《美国化学学会•纳米》（ACS Nano）、《纳米快报》（Nano Letters）等国际期刊上，引起了学术界的广泛关注，为开展超长碳纳米管制备超强纤维打下了基础。航天航空学院李喜德教授团队一直在微纳米力学领域进行研究，在微尺度材料力学性能测量和表征方面开展了大量的研究工作，相关研究成果分别发表在《自然•通讯》（Nature Communications）、《物理评论快报》（Physical Review Letters）、《科学报告》（Scientific Reports）、《纳米技术》（Nanotechnology）、《应用物理学快报》（Applied physics Letters）等国际期刊。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa

Yunxiang Bai, Rufan Zhang, Xuan Ye, Zhenxing Zhu, Huanhuan Xie, Boyuan Shen, Dali Cai, Bofei Liu, Chenxi Zhang, Zhao Jia, Shenli Zhang, Xide Li, Fei Wei

Nat. Nanotech., 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0141-z

导师介绍

魏飞

http://www.x-mol.com/university/faculty/21061

官网报道：

http://news.tsinghua.edu.cn/publish/thunews/9659/2018/20180516090416326892976/20180516090416326892976_.html