清华大学化工系与航院在《天然·纳米技术》报导
来源:制度网 发表于2019-07-11 23:43:20 编辑:吴磊
摘要: 5月16日电(通讯员 白云祥)近来,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协作,在超强碳纳米管纤维范畴获得严重打破,在

  5月16日电(通讯员 白云祥)近来,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协作,在超强碳纳米管纤维范畴获得严重打破,在世界上初次报导了挨近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管制,其拉伸强度逾越了现在发现的一切其它纤维资料。相关效果以《拉伸强度超越80GPa的碳纳米管管制》(Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa)为题,于5月14日在线宣布于纳米范畴世界尖端学术期刊《天然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。?

  超长碳纳米管管制的结构制备及力学功用

  

  a. 碳纳米管管制示意图;b. 所用到的超长碳纳米管的结构;c. 使用气流聚集法制备超长碳纳米管管制的示意图;d. 超长碳纳米管在聚集气流下发作兼并的模拟图;e-i. 所制备的具有确认组成的超长碳纳米管管制;j-k. 所制备的碳纳米管管制的力学性质;l. 超长碳纳米管管制与其他资料拉伸强度比照图

  对资料极致功用的寻求一直是人类社会展开的重要推动力之一。资料的力学强度是资料很多功用中被人类极为垂青的一种功用。美国航空航天局(NASA)在2005年设置了一个 超强纤维应战比赛 (Strong?Tether Challenge)并将其作为世纪应战,期望找到一种比强度(即单位质量强度)高达7.5GPa/(g/cm3)的微观超强纤维资料。惋惜的是,直到2019年这个比赛撤销这个方针都没能完成。现在已知微观资料的比强度都远远低于7.5GPa/(g/cm3),比方钢丝绳为0.05~0.33GPa/(g/cm3),碳纤维为0.5~3.5GPa/(g/cm3),高分子纤维为0.28~4.14GPa/(g/cm3)。此外,超强纤维在其他范畴也有着极为宽广的使用远景,例如高功用运动器材、防弹衣、大飞机、大型运载火箭、超级修建等。

  碳纳米管被认为是现在发现的最强的几种资料之一,其杨氏模量高达1TPa以上,拉伸强度高达100GPa以上(比强度高达62.5GPa/(g/cm3)),超越T1000碳纤维强度10倍以上。理论核算研讨标明,碳纳米管是现在仅有或许协助咱们完成太空电梯愿望的资料。但是,当单根力学功用优异的碳纳米管制备成微观资料时,其功用往往远低于理论值。例如,已报导的碳纳米管纤维的强度只要0.5~11.5 GPa(比强度0.3~7 GPa/(g/cm3) ),远低于碳纳米管理论强度(>100GPa)。首要原因是构成纤维的碳纳米管均长度较短,单元体之间以范德华力彼此搭接,在拉力效果下极易发作彼此滑移,无法充分使用碳纳米管的本征高强度。此外,碳纳米管内的结构缺点和凌乱取向等都会导致纤维强度下降。

  相比之下,超长碳纳米管具有厘米乃至分米长度而且具有完美结构,具有一起取向和挨近理论极限的力学功用,在制备超强纤维方面具有巨大的优势。研讨团队经过选用原位气流聚集办法,可控地制备了具有确认组成、结构完美且平行摆放的厘米级接连超长碳纳米管管制,奇妙避免了上述约束要素。经过制备含有不同数量单元的超长碳纳米管管制,定量分析其组成和结构对超长碳纳米管管制力学功用的影响,建立了确认的物理/数学模型。研讨发现,管制中碳纳米管的初始应力散布不均匀,然后使得管制中的碳纳米管无法同步均匀受力,从而导致了全体强度的下降,亦即 丹尼尔效应 。据此,本研讨团队提出了一种 同步张弛 的战略,经过纳米操作来开释管制中碳纳米管的初始应力,使其处于一个较窄的散布规模,然后将碳纳米管管制拉伸强度提高到80GPa以上,挨近单根碳纳米管的拉伸强度。数学模型核算结果标明,关于含有无限数量的此类超长碳纳米管构成的管制而言,在保证其长度接连、结构完美、取向一起以及初始应力散布均匀的前提下,其拉伸强度仍可迫临单根强度。?

  课题首要完成人合影。左起:叶璇、白云祥、魏飞、李喜德、张如范

  这项作业提醒了超长碳纳米管用于制作超强纤维的光亮远景,一起为展开新式超强纤维指明晰方向和办法。审稿人点评说: 论文作者获得了一个具有里程碑含义的打破性发展,在世界上初次报导了挨近单根碳纳米管强度的碳纳米管管制。这项作业具有极端深远的影响力,它无疑会引起世界规模内的广泛重视 。该研讨作业得到国家天然科学基金委员会和国家严重研讨展开计划赞助。

  论文一起榜首作者为清华大学化工系2019级博士生白云祥、化工系青年教师张如范和航天航空学院力学系2019届博士毕业生叶璇。论文一起通讯作者为清华大学化工系魏飞教授、张如范博士和航天航空学院李喜德教授。

  曩昔十年间,魏飞团队在超长碳纳米管成长机理、结构可控制备、功用表征和使用探究方面展开了很多研讨,并获得了一系列重要打破。团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管,并具有完美结构和优异功用,发明了世界纪录。此外,团队初次发现了微观长度碳纳米管管层间的超光滑现象,并完成了单根碳纳米管微观标准下的光学可视化及可控操作。以上效果相继宣布在《天然·纳米技术》(Nature?Nanotechnology)《天然·通讯》(Nature Communications)《化学会谈论》(Chemical?Society?Reviews)《化学研讨评述》(Accounts of Chemical Research)《先进功用资料》(Advanced?Materials)《美国化学学会·纳米》(ACS?Nano)《纳米快报》(Nano Letters)等世界期刊上,引起了学术界的广泛重视,为展开超长碳纳米管制备超强纤维打下了根底。航天航空学院李喜德教授团队一直在微纳米力学范畴进行研讨,在微标准资料力学功用丈量和表征方面展开了很多的研讨作业,相关研讨效果别离宣布在《天然·通讯》(Nature Communication)、《物理谈论快报》(Physical Review Letters)、《科学陈述》(Scientific Reports)、《纳米技术》(Nanotechnology)、《使用物理学快报》(Applied physics Letters)等世界期刊。

  Nature Nanotechnology为天然出书集团旗下的月刊,2019年的影响因子为38.99,在纳米科学与纳米技术类期刊排名榜首。

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