第一作者：Xinshi Zhang, Xudong Lei, Xiangzheng Jia

通訊作者：張錦、蹇木強、吳先前、高恩來、張永毅

通訊單位：北京大學(xué)、北京石墨烯研究院、中國科學(xué)院力學(xué)研究所、武漢大學(xué)、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所

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北京大學(xué)張錦院士、北京石墨烯研究院蹇木強、中國科學(xué)院力學(xué)研究所吳先前、武漢大學(xué)高恩來、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張永毅等研究人員于Science發(fā)表最新工作，標(biāo)題為《Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa》。

高動態(tài)強度對于在高應(yīng)變率環(huán)境中使用的纖維材料至關(guān)重要。碳納米管纖維是最有前途的候選材料之一。當(dāng)將碳納米管(CNTs)加工成纖維時，一個反復(fù)出現(xiàn)的問題是纖維的機械性能遠(yuǎn)不如本征CNTs的機械性能。

本研究開發(fā)了一種策略，通過優(yōu)化層級結(jié)構(gòu)，制造出具有14 GPa動態(tài)強度和優(yōu)異能量吸收性能的碳納米管纖維（CNTFs）。這些纖維的動態(tài)性能歸因于高應(yīng)變率加載過程中單個納米管的同時斷裂以及沖擊能量離域，這得益于界面相互作用、納米管排列和致密化的改進。本工作展示了一種有效策略，利用單個碳納米管的強度在宏觀尺度上，并提供了新的機制見解。

圖文導(dǎo)讀

圖1.?制備高度有序和緊密堆積CNTFs的策略，PBO-CNTF絲束的照片，以及D-PBO-CNTFs的三維重建空隙微觀結(jié)構(gòu)和徑向截面的SEM與TEM圖像。雷達圖比較了不同CNTFs和商業(yè)纖維的機械性能。

圖2.?CNTFs的結(jié)構(gòu)表征：PBO-CNTFs軸向截面的SEM和TEM圖像，WAXS圖案，不同纖維的方位強度分布，CNTs在纖維中的排列比較，以及通過聚焦離子束切割的F-CNTFs和PBO-CNTFs的橫截面SEM圖像和通過納米CT重建的三維空隙微觀結(jié)構(gòu)。

圖3.?CNTFs的機械性能：F-CNTFs、CSA-CNTFs、PBO-CNTFs和D-PBO-CNTFs在準(zhǔn)靜態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸強度、楊氏模量和韌性的比較，以及在高應(yīng)變率下的性能比較。

圖4.?CNTFs動態(tài)性能的機理分析：F-CNTFs和PBO-CNTFs在應(yīng)用應(yīng)變下拉曼頻率下移的依賴性，不同纖維在1.5%應(yīng)變下的應(yīng)力馳豫曲線，以及CNTFs在有無PBO情況下的模擬拉伸處理快照。

總結(jié)展望

本研究成功開發(fā)了一種策略，通過逐步拉伸、PBO納米纖維和分子鏈的注入以及機械軋制，顯著提高了CNTFs的界面相互作用、納米管排列和致密化，從而實現(xiàn)了14 GPa的超高強度。

實驗表征和多尺度分析表明，CNTFs的動態(tài)性能主要歸因于高應(yīng)變率加載過程中單個納米管的同時斷裂和沖擊能量的離域。這些發(fā)現(xiàn)為利用單個CNTs的固有強度在宏觀尺度上制造抗沖擊纖維材料提供了可行的途徑。

文獻信息

標(biāo)題：Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa

期刊：Science

DOI：10.1126/science.adj1082