研究背景
隨著高應變率環(huán)境應用的增加，如彈道沖擊和飛機及航天器上的不可追蹤碎片撞擊，對超高動態(tài)強度和能量吸收纖維材料的需求引起了廣泛關(guān)注。這些材料在這些應用中具有根本性的重要性，因為它們能夠有效抵抗沖擊并保護關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。碳納米管（CNTs）由于其超過100吉帕（GPa）的固有強度，被認為是構(gòu)建高性能和多功能纖維的有前途的構(gòu)建塊，可以用于準靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境中。然而，目前制備的碳納米管纖維（CNTFs）的準靜態(tài)和動態(tài)機械性能遠低于單個CNT的性能，主要受限于紡絲過程中形成的界面相互作用差、納米管排列低和高孔隙率。這些問題限制了CNTFs在高應變率應用中的廣泛使用。為了解決這些問題，科學家們開發(fā)了各種后處理方法來改進CNTFs的層次結(jié)構(gòu)，包括溶液致密化、機械處理和熱退火等。然而，即使經(jīng)過這些改進，CNTFs的抗拉強度仍然低于10 GPa，特別是其動態(tài)強度遠低于單個CNT的100 GPa以上的固有強度，這表明CNTFs的強度仍有很大的提升空間。因此，研究人員一直在尋找能夠更有效地利用碳納米管固有強度的方法。有鑒于此，北京大學張錦院士團隊及其合作者提出了一種新的策略，通過逐步拉伸、注入PBO納米纖維和分子鏈（以下簡稱PBOs），以及機械滾壓的方法，來改進CNTFs的界面相互作用、納米管排列和致密化。首先，將功能化的碳納米管纖維（F-CNTFs）浸泡在含有PBOs的氯磺酸（CSA）溶液中，使其因質(zhì)子化效應而明顯膨脹。然后，在逐步拉伸處理過程中，將PBOs注入F-CNTFs，形成PBO-CNTFs。最后，使用機械滾壓對P BO-CNTFs進行致密化處理，形成致密化PBO-CNTFs（D-PBO-CNTFs）。這種方法能夠連續(xù)生產(chǎn)高性能紗線，并且所得纖維具有高度有序和密集的結(jié)構(gòu)，具有強界面相互作用。相關(guān)研究在“Science”期刊上發(fā)表了題為“Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa”的最新論文。實驗結(jié)果顯示，致密化PBO-CNTFs（D-PBO-CNTFs）表現(xiàn)出高準靜態(tài)抗拉強度8.2 ± 0.2 GPa和韌性170.3± 17.9 MJ m–3，相較于功能化碳納米管纖維（F-CNTFs），其抗拉強度增加了355%，韌性增加了106%。在高應變率環(huán)境下，D-PBO-CNTFs表現(xiàn)出14.0 ± 0.7 GPa的動態(tài)強度和462.6± 102.1 MJ m–3的韌性，遠高于目前商業(yè)纖維的性能。該研究不僅提供了一種有效利用單個碳納米管強度的策略，還為提升碳納米管纖維在高應變率應用中的性能提供了新的機制見解。通過這一研究，科學家們在將納米材料組裝成宏觀高性能纖維的道路上邁出了重要一步，為未來高性能纖維材料的開發(fā)提供了新的方向。
科學亮點
（1）實驗首次將層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略應用于碳納米管纖維（CNTFs）的制造，得到了具有超高動態(tài)強度和卓越能量吸收性能的CNTFs。通過逐步拉伸、PBO納米纖維和分子鏈注入以及機械滾壓等方法，研究人員成功地提高了CNTFs的界面相互作用、納米管排列和致密化，最終獲得了動態(tài)強度達到14吉帕（GPa）的碳納米管纖維。（2）實驗通過以下步驟實現(xiàn)了上述結(jié)果：
- 首先，功能化的碳納米管纖維（F-CNTFs）被浸泡在含有PBOs的氯磺酸（CSA）溶液中，利用質(zhì)子化效應使纖維膨脹。
- 然后，在逐步拉伸處理過程中將PBOs注入F-CNTFs，形成PBO-CNTFs。
- 最后，使用機械滾壓對PBO-CNTFs進行致密化處理，得到最終的高性能纖維（D-PBO-CNTFs）。
（3）實驗結(jié)果表明，所得D-PBO-CNTFs纖維具有高度有序和密集的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出強界面相互作用。與未經(jīng)處理的F-CNTFs相比，D-PBO-CNTFs的抗拉強度提高了355%，達到了8.2 ± 0.2 GPa；韌性提高了106%，達到了170.3 ± 17.9 MJ m–3。在高應變率（約1400 s–1）下，D-PBO-CNTFs的動態(tài)強度達到了14.0 ± 0.7 GPa，韌性達到了462.6 ± 102.1 MJ m–3。這些數(shù)值顯著高于商業(yè)纖維，例如PBO纖維和Kevlar 29纖維。
圖文解讀
圖1：CNTF的制備、形貌和機械性能。
圖2. CNTF 的結(jié)構(gòu)表征。
研究結(jié)論
本文通過優(yōu)化碳納米管纖維（CNTFs）的制備過程，充分利用了納米級別的單個碳納米管的高強度特性，將其轉(zhuǎn)化為宏觀尺度上的動態(tài)強度和能量吸收能力。首先，通過改善CNTFs的界面相互作用、納米管排列和致密化，我們實現(xiàn)了纖維結(jié)構(gòu)的精細化和強化，顯著提升了其在高應變率加載下的動態(tài)強度，達到了14 GPa的水平。其次，通過多尺度的分析手段和實驗驗證，揭示了CNTFs在高應變率條件下的動態(tài)性能機制，包括個別納米管的同時斷裂以及沖擊能量在纖維中的廣泛分散現(xiàn)象。這些研究結(jié)果不僅深化了對CNTFs材料力學行為的理解，也為設(shè)計和制造更加耐沖擊的纖維材料提供了理論和實驗依據(jù)。此外，本文展示了一種有效的策略，即通過在CNTFs中實現(xiàn)高效能量吸收能力，從而在實際應用中提升材料的性能和可靠性。這些結(jié)果不僅對纖維材料領(lǐng)域具有重要的學術(shù)價值，也為相關(guān)工業(yè)應用（如航空航天和防護材料）的進步提供了新的技術(shù)途徑和思路。Xinshi Zhang et al. ,Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa.Science384,1318-1323(2024).DOI:10.1126/science.adj1082
