超長碳納米管管束的結構制備及力學性能

       a. 碳納米管管束示意圖；b. 所用到的超長碳納米管的結構；c. 利用氣流聚焦法制備超長碳納米管管束的示意圖；d. 超長碳納米管在聚焦氣流下發(fā)生合并的模擬圖；e-i. 所制備的具有確定組成的超長碳納米管管束；j-k. 所制備的碳納米管管束的力學性質；l. 超長碳納米管管束與其他材料拉伸強度對比圖

       對材料極致性能的追求一直是人類社會發(fā)展的重要推動力之一。材料的力學強度是材料眾多性能中被人類極為看重的一種性能。美國航空航天局（NASA）在2005年設置了一個“超強纖維挑戰(zhàn)競賽”（Strong Tether Challenge）并將其作為世紀挑戰(zhàn)，希望找到一種比強度（即單位質量強度）高達7.5GPa/(g/cm3)的宏觀超強纖維材料。遺憾的是，直到2011年這個競賽取消這個目標都沒能實現(xiàn)。目前已知宏觀材料的比強度都遠遠低于7.5GPa/(g/cm3)，比如鋼絲繩為0.05~0.33GPa/(g/cm3)，碳纖維為0.5~3.5GPa/(g/cm3)，高分子纖維為0.28~4.14GPa/(g/cm3)。此外，超強纖維在其他領域也有著極為廣闊的應用前景，例如高性能運動器材、防彈衣、大飛機、大型運載火箭、超級建筑等。

 

       碳納米管被認為是目前發(fā)現(xiàn)的最強的幾種材料之一，其楊氏模量高達1TPa以上，拉伸強度高達100GPa以上（比強度高達62.5GPa/(g/cm3)），超過T1000碳纖維強度10倍以上。理論計算研究表明，碳納米管是目前唯一可能幫助我們實現(xiàn)太空電梯夢想的材料。然而，當單根力學性能優(yōu)異的碳納米管制備成宏觀材料時，其性能往往遠低于理論值。例如，已報道的碳納米管纖維的強度只有0.5~11.5 GPa（比強度0.3~7 GPa/(g/cm3) )，遠低于碳納米管理論強度（>100GPa）。主要原因是形成纖維的碳納米管均長度較短，單元體之間以范德華力相互搭接，在拉力作用下極易發(fā)生相互滑移，無法充分利用碳納米管的本征高強度。此外，碳納米管內的結構缺陷和雜亂取向等都會導致纖維強度下降。

 

       相比之下，超長碳納米管具有厘米甚至分米長度并且具有完美結構，具有一致取向和接近理論極限的力學性能，在制備超強纖維方面具有巨大的優(yōu)勢。研究團隊通過采用原位氣流聚焦方法，可控地制備了具有確定組成、結構完美且平行排列的厘米級連續(xù)超長碳納米管管束，巧妙避免了上述限制因素。通過制備含有不同數量單元的超長碳納米管管束，定量分析其組成和結構對超長碳納米管管束力學性能的影響，建立了確定的物理/數學模型。研究發(fā)現(xiàn)，管束中碳納米管的初始應力分布不均勻，從而使得管束中的碳納米管無法同步均勻受力，進而導致了整體強度的下降，亦即“丹尼爾效應”。據此，本研究團隊提出了一種“同步張弛”的策略，通過納米操縱來釋放管束中碳納米管的初始應力，使其處于一個較窄的分布范圍，從而將碳納米管管束拉伸強度提高到80GPa以上，接近單根碳納米管的拉伸強度。數學模型計算結果表明，對于含有無限數量的此類超長碳納米管形成的管束而言，在保證其長度連續(xù)、結構完美、取向一致以及初始應力分布均勻的前提下，其拉伸強度仍可逼近單根強度。 

 

課題主要完成人合影。左起：葉璇、白云祥、魏飛、李喜德、張如范

 

       這項工作揭示了超長碳納米管用于制造超強纖維的光明前景，同時為發(fā)展新型超強纖維指明了方向和方法。審稿人評價說：“論文作者取得了一個具有里程碑意義的突破性進展，在世界上首次報道了接近單根碳納米管強度的碳納米管管束。這項工作具有極其深遠的影響力，它無疑會引起世界范圍內的廣泛關注”。該研究工作得到國家自然科學基金委員會和國家重大研究發(fā)展計劃資助。

 

       論文共同第一作者為清華大學化工系2016級博士生白云祥、化工系青年教師張如范和航天航空學院力學系2017屆博士畢業(yè)生葉璇。論文共同通訊作者為清華大學化工系魏飛教授、張如范博士和航天航空學院李喜德教授。

 

       過去十年間，魏飛團隊在超長碳納米管生長機理、結構可控制備、性能表征和應用探索方面開展了大量研究，并取得了一系列重要突破。團隊曾制備出單根長度達半米以上的碳納米管，并具有完美結構和優(yōu)異性能，創(chuàng)造了世界紀錄。此外，團隊首次發(fā)現(xiàn)了宏觀長度碳納米管管層間的超潤滑現(xiàn)象，并實現(xiàn)了單根碳納米管宏觀尺度下的光學可視化及可控操縱。以上成果相繼發(fā)表在《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology)《自然·通訊》（Nature Communications）《化學會評論》（Chemical Society Reviews）《化學研究評述》（Accounts of Chemical Research）《先進功能材料》（Advanced Materials）《美國化學學會·納米》（ACS Nano）《納米快報》（Nano Letters）等國際期刊上，引起了學術界的廣泛關注，為開展超長碳納米管制備超強纖維打下了基礎。航天航空學院李喜德教授團隊一直在微納米力學領域進行研究，在微尺度材料力學性能測量和表征方面開展了大量的研究工作，相關研究成果分別發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communication)、《物理評論快報》(Physical Review Letters)、《科學報告》(Scientific Reports)、《納米技術》(Nanotechnology)、《應用物理學快報》(Applied physics Letters)等國際期刊。

 

       Nature Nanotechnology為自然出版集團旗下的月刊，2017年的影響因子為38.99，在納米科學與納米技術類期刊排名第一。