获得具有更高动态强度的碳纳米管纤维的新策略

在6月21日发表在《科学》杂志上的一项研究中，北京大学和北京石墨烯研究所的简木强教授等人开发了一种制造动态强度高达14GPa的碳纳米管纤维的策略

轻质和高强度是纤维材料的永恒追求。针对纤维在战场防护、空间碎片捕获等高应变速率场景中的应用需求，开发具有超高动态强度和高能量吸收能力的纤维材料具有重要意义

碳纳米管具有轻质、坚固、高模量、高导电性和导热性等优异性能，被认为是下一代高性能纤维的理想构建块之一，有望满足高应变速率应用的需求

然而，由于与纤维组装结构有关的问题，碳纳米管纤维的拉伸强度仍低于10GPa，远低于其理想强度，这表明有很大的改进空间

中国科学院力学研究所吴先谦教授、武汉大学高恩来副教授、CAS苏州纳米技术与纳米离子研究所张永毅教授等研究人员提出了一种创新的多尺度结构优化策略

首先，对悬浮催化剂化学气相沉积法制备的碳纳米管纤维进行了纯化和功能化。然后，在含有聚（对苯撑-2,6-苯并双恶唑）（PBO）的氯磺酸（CSA）溶液中对纤维进行渐进拉伸，然后进行机械致密化。这一策略改善了纤维内的界面相互作用、纳米管排列和致密化，实现了准静态和动态强度的突破

碳纳米管的跨尺度有序组装赋予了纤维优异的机械性能。碳纳米管纤维的准静态强度达到8.2GPa，传统的弹道性能评估指标Cunniff速度超过1100m/s。此外，纤维表现出良好的导电性

为了揭示碳纳米管纤维的冲击防护性能，采用小型分裂霍普金森张力棒研究了碳纳米管纤维在高应变速率载荷下的力学行为。结果表明，随着拉伸速率的增加，纤维经历了从韧性到脆性的破坏行为转变，使纤维具有显著的应变速率强化效果。当应变速率约为1400 s–1时，纤维的动态强度达到14 GPa，超过了所有其他高性能纤维

为了研究纤维的动态响应，在模拟弹道冲击载荷下进行了激光诱导高速横向冲击试验。结果表明，该纤维的比能耗散功率达到（8.7±1.0）×1013 m kg–1 s–1，远远超过Kevlar等传统弹道纤维

这些发现表明，碳纳米管纤维在冲击防护工程中具有巨大的应用潜力。

碳纳米管纤维的界面相互作用、纳米管排列和致密化的协同增强对其优异的机械性能至关重要。原位拉曼测试和分子动力学模拟表明，PBO和碳纳米管之间的强相互作用增强了管间相互作用和应力传递

粗粒模拟结果表明，在渐进拉伸过程中，PBO的加入降低了纤维的孔隙率，增加了密度，降低了应力集中度

在高速加载条件下，纤维中较高比例的碳纳米管断裂，纤维断裂模式从管间滑动转变为更同步的碳纳米管破裂，从而赋予纤维优越的动态力学性能

碳纳米管纤维以其极高的动态强度为特点，在航空航天和冲击防护方面具有应用潜力。该研究为在宏观尺度上利用单个碳纳米管的固有强度制备抗冲击纤维材料提供了一条可行的途径