超强碳纳米管纤维拉伸强度超过80GPa

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重大突破，在世界上首次制备了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束，其拉伸强度超过80GPa。相关成果于5月14日在线发表在纳米领域国际顶级学术期刊《自然·纳米技术》上。

超长碳纳米管具有厘米甚至分米长度并且具有完美的结构，具有一致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。该研究团队通过采用原位气流聚焦方法，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。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，也就是“丹尼尔效应”。据此，该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，从而将碳纳米管管束拉伸强度提高到80GPa以上，接近单根碳纳米管的拉伸强度。数学模型计算结果表明，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，其拉伸强度仍可接近单根强度。