动态强度达14GPa，北大团队成功开发超强碳纳米管纤维

近日，北京大学化学与分子工程学院/材料科学与工程学院/北京石墨烯研究院张锦院士和团队，制备出一种动态强度高达 14GPa 的碳纳米管纤维，远远超过已有高性能纤维的性能。

图 | 张锦院士（来源：资料图）

评审专家表示本工作中碳纳米管纤维的动态强度首次突破 10GPa，这是一个前所未有的结果，对于纤维领域尤其是碳纳米管纤维领域具有重要意义。

当受到高应变率或弹道冲击时，本次制备的高强碳纳米管纤维展现出优异的动态强度和抗冲击性能，在冲击防护领域展现出较强的应用潜力。

例如在航空航天领域，高强碳纳米管纤维可被用于飞行器的蒙皮材料，以防止碎片撞击。还可以将其制成空间捕捉网，以用于捕获和回收空间碎片。在轨道交通领域，高强碳纳米管纤维则可被用于一些关键承载和吸能部件。

（来源：Science）

“三问”碳纳米管

纤维是人类最伟大的发现之一，极大推动了人类文明的发展，并已成为当代社会不可或缺的重要材料之一。

目前，纤维已被用于人类生活的方方面面，包括高精尖的装备和日常生活用品。

随着新应用的需求和新技术的发展，纤维材料逐渐向超性能化、多功能化、智能化发展。

纤维的性能发展趋势主要体现在三个方面：

第一，轻质高强是纤维材料的永恒追求之一；

第二，结构功能一体化是纤维发展的必由之路；

第三，智能化是纤维发展的重要趋势。

因此，纤维材料的创新发展对纤维基元材料的结构和性能提出了更高要求。

碳纳米管和石墨烯均是一类由碳原子 sp2 杂化六元环结构组成的低维碳材料，相比传统材料展现出优异的特性，被认为是新一代高性能纤维的理想组装基元。

尤其是作为一维管状纳米碳材料，碳纳米管具有轻质、高强、高模、高导电、高导热等优异特性。

其理论强度 100-200GPa，理论模量大于 1000GPa，电导率大约为 108S/m，热导率大约为 6600W/(mK)。

当将碳纳米管沿轴向定向排列，就能组成碳纳米管纤维。作为一种一维宏观材料，碳纳米管纤维有望将碳纳米管微观尺度的优异性能，有效地传递到宏观纤维，从而助力于打造轻质高强、结构功能一体化的智能化纤维。

然而，受限于碳纳米管的跨尺度组装难题，碳纳米管纤维会存在高孔隙率、低取向度、弱管间作用等问题，以至于碳纳米管纤维的性能仍远远低于其理论数值。

基于在碳纳米管控制制备和表征技术上多年经验，张锦院士团队开展碳纳米管纤维的可控制备与应用技术研究，并重点关注以下三方面问题：

其一，如何为碳纳米管架起从微观到宏观纤维的桥梁？

其二，如何让碳纳米管的优异性能实现从微观尺度到宏观纤维的跨尺度传递？

其三，如何实现高性能碳纳米管纤维的规模化制备？

对于理想纤维来说，它在结构上要满足以下三种要求：

其一，基元材料的分子量高、链端少；

其二，分子链可以沿着纤维轴向实现完美取向；

其三，具备完美的链间堆叠。

只有满足以上三个条件，才能将基元材料的优异性能有效地传递至宏观纤维。

对于碳纳米管纤维而言，要想充分展现碳纳米管微观尺度的优异性能，就必须采用高品质的基元材料，以及实现高取向、高致密的跨尺度组装。

此前，清华大学团队已经证明，能够满足上述条件的碳纳米管管束的力学强度可以达到 80GPa，基本能够满足人们对于碳纳米管纤维的性能预期。

这也说明碳纳米管的有序组装，对于组装体的性能起着重要作用。

但是，目前的碳纳米管纤维依然存在一些组装结构问题，比如孔隙率高、取向度低、管间作用弱等。

为此，团队针对纤维的跨尺度结构，进行了系统性的优化，以期将纤维的性能潜力挖掘出来。

（来源：Science）

他们从“通过锻炼影响人体肌肉”这一生理现象中获得了一定启发。

当经过一定的力量训练，人体的肌肉纤维数量和大小都会增加，肌肉的收缩力则会提高，从而能让肌肉变得更加紧实，肌肉力量也会显著增加。

在这一现象的启发之下，他们针对碳纳米管纤维进行“机械训练”，从而让纤维中的碳纳米管重新排布、定向和组装。

这样一来，碳纳米管管束就会增大，纤维也会更加紧实。

此外，一些健身爱好者还会通过补充蛋白质，来促进肌肉的修复和生长。

在此启发之下，当针对纤维开展“机械训练”时，该课题组在纤维中引入一种刚性棒状聚合物分子。

这种聚合物分子作为碳纳米管纤维的“营养液”，从而提升纤维的紧实度和管间作用。

然后，通过机械致密化的处理，课题组从分子尺度、纳米尺度、微米尺度这三个方面，让纤维的结构得到系统性优化，并让纤维得以拥有优异的准静态力学性能。

通过此，该团队制备出了这种碳纳米管纤维，其兼具高致密、高取向、强管间作用的特点。

不止步于“制备”，知其然更要知其所以然

随后，他们对比了纤维的 Cunniff 速度（一种传统的防弹性能评价指标），结果发现纤维的 Cunniff 速度超过 1100m/s，远远高于同类高性能纤维。

一般情况下，人们在测试纤维材料的力学强度时，普遍采用准静态的测试条件。

期间，纤维内部的碳纳米管将能拥有足够的时间发生重排、滑移，以至于难以体现碳纳米管的优异性能。

而该纤维不仅结构有序、而且管间作用较强，那么在高速加载条件之下，是否会有不同的力学行为？同时，能否直接通过实验来评价纤维的抗冲击性能？

他们与合作者中国科学院力学所吴先前研究员和雷旭东博士采用微尺度高速冲击拉伸实验法，研究纤维在高应变率加载下的力学行为。

结果发现：随着拉伸速度的提高，纤维的韧脆失效模式会发生转变，进而展现出显著的应变率强化效应。

当应变率约 1400s–1 时，纤维的动态强度达到 14GPa，远远超过其他高性能纤维。

进一步地，通过采用强激光诱导高速横向冲击的实验方法，他们研究了该纤维在模拟弹道冲击加载下的动力学响应规律。

结果发现：纤维的比能量耗散功率达到（8.7±1.0）×1013mkg–1s–1，远高于传统防弹纤维。这表明该纤维在冲击防护领域具有巨大的应用潜力。

（来源：Science）

纤维为何具有如此高的动态强度？

后来，该课题组又与武汉大学高恩来副教授开展深入讨论，借此揭示了碳纳米管纤维优异力学性能的来源。

实验结果和模拟结果表明：碳纳米管的管间作用、取向性和纤维致密性，是纤维力学性能提升的关键。

在高速加载条件下，纤维中碳纳米管的断裂比例更高。对于纤维断裂模式来说，它也会从碳纳米管管间滑移、转变为更多的碳纳米管的断裂，从而让纤维拥有优异的动态力学性能。

同时，他们与中科院苏州纳米所张永毅研究员合作，初步实现了高强碳纳米管纤维和丝束的连续制备。

日前，相关论文以《动态强度 14GPa 的碳纳米管纤维》（Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa）为题发在 Science[1]。

北京大学张馨时博士、中国科学院力学所雷旭东博士、武汉大学贾向正博士生是共同一作。

北京大学化学与分子工程学院/材料科学与工程学院/北京石墨烯研究院张锦院士、北京石墨烯研究院蹇木强副研究员、中国科学院力学研究所吴先前研究员、武汉大学高恩来副教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所/中国科学技术大学/江西省纳米技术研究院张永毅研究员担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Science）

总的来说，本工作为更深入地理解碳纳米管优异性能的跨尺度传递规律、以及开发高性能碳纳米管纤维规模化制备技术奠定了良好基础。

后续，他们将继续结合多尺度理论计算和 AI 技术探究碳纳米管优异性能从微观尺度到宏观纤维的跨尺度传递问题。

并将从碳纳米管本征结构和纤维组装结构两方面入手，持续地优化纤维的微观结构，架起碳纳米管从微观到宏观纤维的桥梁。

同时，还将继续开发高性能碳纳米管纤维规模化制备技术和装备，并携手合作者推进从纤维单丝、到丝束、再到复合材料成型加工方面的工作。

“这些方面还有很多工作需要做，欢迎国内外各优势团队一起交流合作。”该团队表示。

与此同时，课题组也特别重视 AI 与研究方向的结合，目前已经在 AI 辅助碳纳米管制备与分散、纤维制备与结构分析方面做了初步探索。

“与 AI 技术结合方面的相关论文也会很快上线，到时再跟大家分享。”研究人员最后说道。

编辑 秦天 审读 张雪松 二审 王雯 三审 甘霖