清华大学魏飞Nature子刊：80GPa，史上最强碳纳米管超级纤维！

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研究亮点：

1.开发了一种单根长度达到厘米尺度的超长碳纳米管。

2.采用同步松紧策略成功解决碳纳米管纤维的初始应变的不均匀性。

3.开发了史上拉伸强度最高的超长碳纳米管纤维。

纳米材料最令人担忧，也是最令人诟病的一个问题在于：一旦组装到微米或者更大三维尺度，就削弱甚至失去其纳米效应，导致难以实际应用。碳纳米管就是其中的一个典型案例。

碳纳米管本征拉伸强度达到100 GPa，是已知强度最大的材料之一，但是却迟迟无法实现美国航天局设定的“7.5GPacm3g–1”的梦之绳索的目标。一个关键难点就在于，常规碳纳米管长度仅有微米级，一旦将短碳纳米管组装成纤维，就会因为相互堆叠和纠缠而产生缺陷、杂质、随机取向以及不连续的长度等问题，导致其失去纳米尺度时的超级强度。

有鉴于此，清华大学魏飞团队合作，报道了一种超长、无缺陷、拉伸强度高达80 GPa以上的超级碳纳米管纤维。

超长碳纳米管纤维的制备和表征

碳纳米管纤维的拉伸强度受Daniels效应控制，Daniels效应来自于单根碳纳米管的初始应变的非均匀性。研究人员采用了一种同时松、紧的策略，来消除这些初始应变的不均匀性。

超长碳纳米管纤维的同步松紧策略

研究人员首先制备得到一种长度可连续达到厘米尺度的单根碳纳米管，然后组装得到具有统一取向，几乎不含缺陷，初始应变均匀的碳纳米管纤维，这种超长碳纳米管纤维表现出高达80 GPa的拉伸强度，对应的工程拉伸强度高达43 GPa，高于其他任何高强度纤维。

超长碳纳米管纤维的力学性能

总之，这项研究真正将纳米尺度碳纳米管的超高强度拓展到体相尺度，为碳纳米管的走向更大规模的实际应用做出了革命性的贡献！

Yunxiang Bai, Rufan Zhang, Xide Li, FeiWei et al. Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa. Nature Nanotechnology 2018.

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碳纳米管被认为是目前发现的最强的几种材料之一，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)），超过T1000碳纤维强度10倍以上。理论计算研究表明，碳纳米管是目前唯一可能帮助我们实现太空电梯梦想的材料。然而，当单根力学性能优异的碳纳米管制备成宏观材料时，其性能往往远低于理论值。例如，已报道的碳纳米管纤维的强度只有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）。主要原因是形成纤维的碳纳米管均长度较短，单元体之间以范德华力相互搭接，在拉力作用下极易发生相互滑移，无法充分利用碳纳米管的本征高强度。此外，碳纳米管内的结构缺陷和杂乱取向等都会导致纤维强度下降。


过去十年间，魏飞团队在超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征和应用探索方面开展了大量研究，并取得了一系列重要突破。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性能，创造了世界纪录。此外，团队首次发现了宏观长度碳纳米管管层间的超润滑现象，并实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵。以上成果相继发表在《自然·纳米技术》(NatureNanotechnology)《自然·通讯》（Nature Communications）《化学会评论》（ChemicalSocietyReviews）《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）《先进功能材料》（AdvancedMaterials）《美国化学学会·纳米》（ACSNano）《纳米快报》（Nano Letters）等国际期刊上，引起了学术界的广泛关注，为开展超长碳纳米管制备超强纤维打下了基础。航天航空学院李喜德教授团队一直在微纳米力学领域进行研究，在微尺度材料力学性能测量和表征方面开展了大量的研究工作，相关研究成果分别发表在《自然·通讯》(Nature Communication)、《物理评论快报》(Physical Review Letters)、《科学报告》(Scientific Reports)、《纳米技术》(Nanotechnology)、《应用物理学快报》(Applied physics Letters)等国际期刊。