超長(zhǎng)碳納米管管束的結(jié)構(gòu)制備及力學(xué)性能

       a. 碳納米管管束示意圖；b. 所用到的超長(zhǎng)碳納米管的結(jié)構(gòu)；c. 利用氣流聚焦法制備超長(zhǎng)碳納米管管束的示意圖；d. 超長(zhǎng)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(zhǎng)碳納米管管束；j-k. 所制備的碳納米管管束的力學(xué)性質(zhì)；l. 超長(zhǎng)碳納米管管束與其他材料拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖

       對(duì)材料極致性能的追求一直是人類社會(huì)發(fā)展的重要推動(dòng)力之一。材料的力學(xué)強(qiáng)度是材料眾多性能中被人類極為看重的一種性能。美國(guó)航空航天局（NASA）在2005年設(shè)置了一個(gè)“超強(qiáng)纖維挑戰(zhàn)競(jìng)賽”（Strong Tether Challenge）并將其作為世紀(jì)挑戰(zhàn)，希望找到一種比強(qiáng)度（即單位質(zhì)量強(qiáng)度）高達(dá)7.5GPa/(g/cm3)的宏觀超強(qiáng)纖維材料。遺憾的是，直到2011年這個(gè)競(jìng)賽取消這個(gè)目標(biāo)都沒能實(shí)現(xiàn)。目前已知宏觀材料的比強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)纖維在其他領(lǐng)域也有著極為廣闊的應(yīng)用前景，例如高性能運(yùn)動(dòng)器材、防彈衣、大飛機(jī)、大型運(yùn)載火箭、超級(jí)建筑等。

 

       碳納米管被認(rèn)為是目前發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的幾種材料之一，其楊氏模量高達(dá)1TPa以上，拉伸強(qiáng)度高達(dá)100GPa以上（比強(qiáng)度高達(dá)62.5GPa/(g/cm3)），超過T1000碳纖維強(qiáng)度10倍以上。理論計(jì)算研究表明，碳納米管是目前唯一可能幫助我們實(shí)現(xiàn)太空電梯夢(mèng)想的材料。然而，當(dāng)單根力學(xué)性能優(yōu)異的碳納米管制備成宏觀材料時(shí)，其性能往往遠(yuǎn)低于理論值。例如，已報(bào)道的碳納米管纖維的強(qiáng)度只有0.5~11.5 GPa（比強(qiáng)度0.3~7 GPa/(g/cm3) )，遠(yuǎn)低于碳納米管理論強(qiáng)度（>100GPa）。主要原因是形成纖維的碳納米管均長(zhǎng)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(wú)法充分利用碳納米管的本征高強(qiáng)度。此外，碳納米管內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷和雜亂取向等都會(huì)導(dǎo)致纖維強(qiáng)度下降。

 

       相比之下，超長(zhǎng)碳納米管具有厘米甚至分米長(zhǎng)度并且具有完美結(jié)構(gòu)，具有一致取向和接近理論極限的力學(xué)性能，在制備超強(qiáng)纖維方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。研究團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)完美且平行排列的厘米級(jí)連續(xù)超長(zhǎng)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(shù)量單元的超長(zhǎng)碳納米管管束，定量分析其組成和結(jié)構(gòu)對(duì)超長(zhǎng)碳納米管管束力學(xué)性能的影響，建立了確定的物理/數(shù)學(xué)模型。研究發(fā)現(xiàn)，管束中碳納米管的初始應(yīng)力分布不均勻，從而使得管束中的碳納米管無(wú)法同步均勻受力，進(jìn)而導(dǎo)致了整體強(qiáng)度的下降，亦即“丹尼爾效應(yīng)”。據(jù)此，本研究團(tuán)隊(duì)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(yīng)力，使其處于一個(gè)較窄的分布范圍，從而將碳納米管管束拉伸強(qiáng)度提高到80GPa以上，接近單根碳納米管的拉伸強(qiáng)度。數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于含有無(wú)限數(shù)量的此類超長(zhǎng)碳納米管形成的管束而言，在保證其長(zhǎng)度連續(xù)、結(jié)構(gòu)完美、取向一致以及初始應(yīng)力分布均勻的前提下，其拉伸強(qiáng)度仍可逼近單根強(qiáng)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(xiàng)工作揭示了超長(zhǎng)碳納米管用于制造超強(qiáng)纖維的光明前景，同時(shí)為發(fā)展新型超強(qiáng)纖維指明了方向和方法。審稿人評(píng)價(jià)說：“論文作者取得了一個(gè)具有里程碑意義的突破性進(jìn)展，在世界上首次報(bào)道了接近單根碳納米管強(qiáng)度的碳納米管管束。這項(xiàng)工作具有極其深遠(yuǎn)的影響力，它無(wú)疑會(huì)引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注”。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和國(guó)家重大研究發(fā)展計(jì)劃資助。

 

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

 

       過去十年間，魏飛團(tuán)隊(duì)在超長(zhǎng)碳納米管生長(zhǎng)機(jī)理、結(jié)構(gòu)可控制備、性能表征和應(yīng)用探索方面開展了大量研究，并取得了一系列重要突破。團(tuán)隊(duì)曾制備出單根長(zhǎng)度達(dá)半米以上的碳納米管，并具有完美結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。此外，團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了宏觀長(zhǎng)度碳納米管管層間的超潤(rùn)滑現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)了單根碳納米管宏觀尺度下的光學(xué)可視化及可控操縱。以上成果相繼發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)《自然·通訊》（Nature Communications）《化學(xué)會(huì)評(píng)論》（Chemical Society Reviews）《化學(xué)研究評(píng)述》（Accounts of Chemical Research）《先進(jìn)功能材料》（Advanced Materials）《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》（ACS Nano）《納米快報(bào)》（Nano Letters）等國(guó)際期刊上，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，為開展超長(zhǎng)碳納米管制備超強(qiáng)纖維打下了基礎(chǔ)。航天航空學(xué)院李喜德教授團(tuán)隊(duì)一直在微納米力學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究，在微尺度材料力學(xué)性能測(cè)量和表征方面開展了大量的研究工作，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communication)、《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)、《科學(xué)報(bào)告》(Scientific Reports)、《納米技術(shù)》(Nanotechnology)、《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》(Applied physics Letters)等國(guó)際期刊。

 

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