近日，北京大學化學與分子工程學院/材料科學與工程學院/北京石墨烯研究院張錦院士和團隊， 制備出一種動態強度高達 14GPa 的碳奈米管纖維，遠遠超過已有高效能纖維的效能。
圖 | 張錦院士（來源：資料圖）
評審專家表示本工作中碳奈米管纖維的動態強度首次突破 10GPa，這是一個前所未有的結果，對於纖維領域尤其是碳奈米管纖維領域具有重要意義。
當受到高應變率或彈道沖擊時， 本次制備的高強碳奈米管纖維展現出優異的動態強度和抗沖擊效能，在沖擊防護領域展現出較強的套用潛力。
例如：
在航空航天領域，高強碳奈米管纖維可被用於飛行器的蒙皮材料，以防止碎片撞擊。還可以將其制成空間捕捉網，以用於捕獲和回收空間碎片。
在軌域交通領域，高強碳奈米管纖維則可被用於一些關鍵承載和吸能部件。
（來源：Science）
「三問」碳奈米管
纖維是人類最偉大的發現之一，極大推動了人類文明的發展，並已成為當代社會不可或缺的重要材料之一。
目前，纖維已被用於人類生活的方方面面，包括高精尖的裝備和日常生活用品。
隨著新套用的需求和新技術的發展，纖維材料逐漸向超效能化、多功能化、智慧化發展。
纖維的效能發展趨勢主要體現在三個方面：
第一，輕質高強是纖維材料的永恒追求之一；
第二，結構功能一體化是纖維發展的必由之路；
第三，智慧化是纖維發展的重要趨勢。
因此，纖維材料的創新發展對纖維基元材料的結構和效能提出了更高要求。
碳奈米管和石墨烯均是一類由碳原子 sp2 混成六元環結構組成的低維碳材料，相比傳統材料展現出優異的特性，被認為是新一代高效能纖維的理想組裝基元。
尤其是作為一維管狀奈米碳材料，碳奈米管具有輕質、高強、高模、高導電、高導熱等優異特性。
其理論強度 100-200GPa，理論模量大於 1000GPa，電導率大約為 108S/m，熱導率大約為 6600W/(mK)。
當將碳奈米管沿軸向定向排列，就能組成碳奈米管纖維。作為一種一維宏觀材料，碳奈米管纖維有望將碳奈米管微觀尺度的優異效能，有效地傳遞到宏觀纖維，從而助力於打造輕質高強、結構功能一體化的智慧化纖維。
然而，受限於碳奈米管的跨尺度組裝難題，碳奈米管纖維會存在高孔隙率、低取向度、弱管間作用等問題，以至於碳奈米管纖維的效能仍遠遠低於其理論數值。
基於在碳奈米管控制制備和表征技術上多年經驗，張錦院士團隊開展碳奈米管纖維的可控制備與套用技術研究，並重點關註以下三方面問題：
其一，如何為碳奈米管架起從微觀到宏觀纖維的橋梁？
其二，如何讓碳奈米管的優異效能實作從微觀尺度到宏觀纖維的跨尺度傳遞？
其三，如何實作高效能碳奈米管纖維的規模化制備？
對於理想纖維來說，它在結構上要滿足以下三種要求：
其一，基元材料的分子量高、鏈端少；
其二，分子鏈可以沿著纖維軸向實作完美取向；
其三，具備完美的鏈間堆疊。
只有滿足以上三個條件，才能將基元材料的優異效能有效地傳遞至宏觀纖維。
對於碳奈米管纖維而言，要想充分展現碳奈米管微觀尺度的優異效能，就必須采用高品質的基元材料，以及實作高取向、高致密的跨尺度組裝。
此前，清華大學團隊已經證明，能夠滿足上述條件的碳奈米管管束的力學強度可以達到 80GPa，基本能夠滿足人們對於碳奈米管纖維的效能預期。
這也說明碳奈米管的有序組裝，對於組裝體的效能起著重要作用。
但是，目前的碳奈米管纖維依然存在一些組裝結構問題，比如孔隙率高、取向度低、管間作用弱等。
為此，團隊針對纖維的跨尺度結構，進行了系統性的最佳化，以期將纖維的效能潛力挖掘出來。
（來源：Science）
他們從「透過鍛煉影響人體肌肉」這一生理現象中獲得了一定啟發。
當經過一定的力量訓練，人體的肌肉纖維數量和大小都會增加，肌肉的收縮力則會提高，從而能讓肌肉變得更加緊實，肌肉力量也會顯著增加。
在這一現象的啟發之下，他們針對碳奈米管纖維進行「機械訓練」，從而讓纖維中的碳奈米管重新排布、定向和組裝。
這樣一來，碳奈米管管束就會增大，纖維也會更加緊實。
此外，一些健身愛好者還會透過補充蛋白質，來促進肌肉的修復和生長。
在此啟發之下，當針對纖維開展「機械訓練」時，該課題組在纖維中引入一種剛性棒狀聚合物分子。
這種聚合物分子作為碳奈米管纖維的「營養液」，從而提升纖維的緊實度和管間作用。
然後，透過機械致密化的處理，課題組從分子尺度、奈米尺度、微米尺度這三個方面，讓纖維的結構得到系統性最佳化，並讓纖維得以擁有優異的準靜態力學效能。
透過此，該團隊制備出了這種碳奈米管纖維，其兼具高致密、高取向、強管間作用的特點。
不止步於「制備」，知其然更要知其所以然
隨後，他們對比了纖維的 Cunniff 速度（一種傳統的防彈效能評價指標），結果發現纖維的 Cunniff 速度超過 1100m/s，遠遠高於同類高效能纖維。
一般情況下，人們在測試纖維材料的力學強度時，普遍采用準靜態的測試條件。
期間，纖維內部的碳奈米管將能擁有足夠的時間發生重排、滑移，以至於難以體現碳奈米管的優異效能。
而該纖維不僅結構有序、而且管間作用較強，那麽在高速載入條件之下，是否會有不同的力學行為？同時，能否直接透過實驗來評價纖維的抗沖擊效能？
他們與合作者中國科學院力學所吳先前研究員和雷旭東博士采用微尺度高速沖擊拉伸實驗法，研究纖維在高應變率載入下的力學行為。
結果發現：隨著拉伸速度的提高，纖維的韌脆失效模式會發生轉變，進而展現出顯著的應變率強化效應。
當應變率約 1400s–1 時，纖維的動態強度達到 14GPa，遠遠超過其他高效能纖維。
進一步地，透過采用強雷射誘導高速橫向沖擊的實驗方法，他們研究了該纖維在模擬彈道沖擊載入下的動力學響應規律。
結果發現：纖維的比能量耗散功率達到（8.7±1.0）×1013mkg–1s–1，遠高於傳統防彈纖維。這表明該纖維在沖擊防護領域具有巨大的套用潛力。
（來源：Science）
纖維為何具有如此高的動態強度？
後來，該課題組又與武漢大學高恩來副教授開展深入討論，借此揭示了碳奈米管纖維優異力學效能的來源。
實驗結果和模擬結果表明：碳奈米管的管間作用、取向性和纖維致密性，是纖維力學效能提升的關鍵。
在高速載入條件下，纖維中碳奈米管的斷裂比例更高。對於纖維斷裂模式來說，它也會從碳奈米管管間滑移、轉變為更多的碳奈米管的斷裂，從而讓纖維擁有優異的動態力學效能。
同時，他們與中科院蘇州奈米所張永毅研究員合作，初步實作了高強碳奈米管纖維和絲束的連續制備。
日前，相關論文以【動態強度 14GPa 的碳奈米管纖維】（Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa）為題發在 Science [1]。
北京大學張馨時博士、中國科學院力學所雷旭東博士、武漢大學賈向正博士生是共同一作。
北京大學化學與分子工程學院/材料科學與工程學院/北京石墨烯研究院張錦院士、北京石墨烯研究院蹇木強副研究員、中國科學院力學研究所吳先前研究員、武漢大學高恩來副教授、中國科學院蘇州奈米技術與奈米仿生研究所/中國科學技術大學/江西省奈米技術研究院張永毅研究員擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science）
總的來說， 本工作為更深入地理解碳奈米管優異效能的跨尺度傳遞規律、以及開發高效能碳奈米管纖維規模化制備技術奠定了良好基礎。
後續，他們將繼續結合多尺度理論計算和 AI 技術探究碳奈米管優異效能從微觀尺度到宏觀纖維的跨尺度傳遞問題。
並將從碳奈米管本征結構和纖維組裝結構兩方面入手，持續地最佳化纖維的微觀結構，架起碳奈米管從微觀到宏觀纖維的橋梁。
同時，還將繼續開發高效能碳奈米管纖維規模化制備技術和裝備，並攜手合作者推進從纖維單絲、到絲束、再到復合材料成型加工方面的工作。
「這些方面還有很多工作需要做，歡迎國內外各優勢團隊一起交流合作。」該團隊表示。
與此同時，課題組也特別重視 AI 與研究方向的結合，目前已經在 AI 輔助碳奈米管制備與分散、纖維制備與結構分析方面做了初步探索。
「與 AI 技術結合方面的相關論文也會很快上線，到時再跟大家分享。」研究人員最後說道。
參考資料：
1.Zhang, X., Lei, X., Jia, X., Sun, T., Luo, J., Xu, S., ... & Zhang, J. (2024). Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa. Science, 384(6702), 1318-1323.
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