重磅！北京大学，今日Science!

第一作者：Xinshi Zhang, Xudong Lei, Xiangzheng Jia

通讯作者：张锦、蹇木强、吴先前、高恩来、张永毅

通讯单位：北京大学、北京石墨烯研究院、中国科学院力学研究所、武汉大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

论文速览

北京大学张锦院士、北京石墨烯研究院蹇木强、中国科学院力学研究所吴先前、武汉大学高恩来、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张永毅等研究人员于Science发表最新工作，标题为《Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa》。

高动态强度对于在高应变率环境中使用的纤维材料至关重要。碳纳米管纤维是最有前途的候选材料之一。当将碳纳米管(CNTs)加工成纤维时，一个反复出现的问题是纤维的机械性能远不如本征CNTs的机械性能。

本研究开发了一种策略，通过优化层级结构，制造出具有14 GPa动态强度和优异能量吸收性能的碳纳米管纤维（CNTFs）。这些纤维的动态性能归因于高应变率加载过程中单个纳米管的同时断裂以及冲击能量离域，这得益于界面相互作用、纳米管排列和致密化的改进。本工作展示了一种有效策略，利用单个碳纳米管的强度在宏观尺度上，并提供了新的机制见解。

图文导读

图1. 制备高度有序和紧密堆积CNTFs的策略，PBO-CNTF丝束的照片，以及D-PBO-CNTFs的三维重建空隙微观结构和径向截面的SEM与TEM图像。雷达图比较了不同CNTFs和商业纤维的机械性能。

图2. CNTFs的结构表征：PBO-CNTFs轴向截面的SEM和TEM图像，WAXS图案，不同纤维的方位强度分布，CNTs在纤维中的排列比较，以及通过聚焦离子束切割的F-CNTFs和PBO-CNTFs的横截面SEM图像和通过纳米CT重建的三维空隙微观结构。

图3. CNTFs的机械性能：F-CNTFs、CSA-CNTFs、PBO-CNTFs和D-PBO-CNTFs在准静态下的应力-应变曲线，准静态拉伸强度、杨氏模量和韧性的比较，以及在高应变率下的性能比较。

图4. CNTFs动态性能的机理分析：F-CNTFs和PBO-CNTFs在应用应变下拉曼频率下移的依赖性，不同纤维在1.5%应变下的应力驰豫曲线，以及CNTFs在有无PBO情况下的模拟拉伸处理快照。

总结展望

本研究成功开发了一种策略，通过逐步拉伸、PBO纳米纤维和分子链的注入以及机械轧制，显著提高了CNTFs的界面相互作用、纳米管排列和致密化，从而实现了14 GPa的超高强度。

实验表征和多尺度分析表明，CNTFs的动态性能主要归因于高应变率加载过程中单个纳米管的同时断裂和冲击能量的离域。这些发现为利用单个CNTs的固有强度在宏观尺度上制造抗冲击纤维材料提供了可行的途径。

文献信息

标题：Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa

期刊：Science

DOI：10.1126/science.adj1082