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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
文章来源:未知     点击数: 次     更新时间:2018-09-12 14:29

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(a)由连续碳纳米管组成的超长碳纳米管束示意图。(b)水平排列的超长碳纳米管的扫描电子显微镜(SEM)图像。插图:高分辨率的透射电子图像的生长的超长碳纳米管具有单,双,三重壁。(c)气相聚焦法(GFF)原位制备碳纳米管的示意图。(d)GFF模拟。(E,F)两个和三个CNT束的SEM图像。(G-I)CNT束的TEM图像

 

用于纤维素纳米纤维组装的双流聚焦通道示意图。悬浮液(以浅棕色示出)被注入核心流中,包括DI水(蓝色)和低pH值(淡绿色)的酸。纳米纤维逐渐变得更加整齐,直到它们可以作为连续纤维被提取


纳米纤维具有令人印象深刻的机械性能,往往超过同类块状材料。然而,由这些纳米纤维产生的更大尺度的材料并不总是符合预期。现在,两项研究表明了将碳纳米管和纤维素纳米纤维的特殊属性转化为宏观材料的策略。

碳纳米管(CNT)被人们称为最强的已知材料之一,但是由碳纳米管制成的可用纤维并不能达到这么优异的性能。原因很简单:缺陷、杂质、无规取向和不同长度的纳米管使纤维受损。现在,研究人员报告说,简单的拉伸和松弛过程可以释放CNT束中的初始非均匀应变,并使得我们能够制造更强的纤维。

“碳纳米管具有高于100GPa的固有抗拉强度,但几乎所有报道的CNT纤维都是使用团聚的CNT或垂直排列的CNT阵列制造的,这些阵列的组件短于数百微米,并含有大量的结构缺陷和杂质,从而产生张力,使其拉伸强度在0.5~8.8 GPa范围内。清华大学的Rufan Zhang解释说。他与斯坦福大学的同事一起,使用一种简单的方法制备了抗拉强度超过80GPa的超长、无缺陷的CNT束。CNT束的强度的关键是碳纳米管的生产方式。

研究人员利用气流定向化学气相沉积法合成了超长纳米管,其中至少有一个完美的结构壁。气体流聚焦逐渐通过范德华力组装成碳纳米管超长束。下一步,研究人员进行了仔细的收紧和松弛纤维束的过程,因为纳米管的收缩和相互滑移,它释放了内部的应变。经过反复的拉伸和放松,纳米管在束中更均匀地排列,内部应变更相似。

这种简单的工艺似乎可以将纳米管束的拉伸强度从47 GPa提高到80 GPa。研究人员相信他们的方法可以合成超强纤维,尽管生产高质量、超长的碳纳米管仍然存在一些问题。

研究人员在获得高质量成束的SWCNT方面已经迈出了很好的一步,通过与桥式电缆(由许多单独导线组成束,全部承受负载)所使用的工程方法类似,可以表现出高的内在强度和工程强度,蔚山国家科学技术研究院(UNIST)的Rodney Ruoff在韩国发表评论。值得注意的是,这些是束,而不是单个纤维,而且实现由碳纳米管组成的高强度的超长纤维仍然是一个重大的挑战。

类似的问题也困扰着纤维素纳米纤维,它是树木和植物这样的生物系统中最丰富的结构成分。纤维素纳米纤维具有高强度和刚度,但迄今为止,试图生产类似物的复合材料要比天然产物弱15倍。

瑞典KTH皇家理工学院的L.DanielSderberg说:“利用纳米级砌块制备具有优异性能的工程材料最大挑战之一是在宏观尺度上保持这些特性。”

Sderberg与RISE生物经济、德国DESY、斯坦福大学和美国密歇根大学的同事们一起使用纳米纤维素制造了一种工程材料,这种材料确实保留了这些优异的机械性能。研究小组用非常细长的纳米纤维素制造了连续纤维(或长丝),这些纤维来源于传统的纸浆纤维。

成功的关键是纤维中的纳米纤维素纤维的排列。研究人员首先将纳米纤维素纤维分散在水中,并使用称为流动聚焦的微流体概念将分散体加工成纤维。排除原纤维的布朗扩散,这个过程使原纤维沿着纤维长度对齐。然后,通过降低pH值,将排列好的结构锁定到凝胶网络中??梢源幽褐刑崛×宋?,并且不限制长度。

我们的由100%生物基组分(不含化石添加剂)制成的连续纤维或长丝)具有与玻璃纤维和凯夫拉纤维相同的机械性能,并且性能优于蜘蛛丝的强度和刚度,这被广泛认为是最强的生物基材料。

这个工艺使纳米纤维素纤维的强度和刚度可以转化为工程规模的纤维。虽然这个团队目前只生产了少量的纤维,但他们正在与瑞典RISE生物经济研究所合作,以扩大这一过程,达到高速连续纤维的生产。

Sderberg说:“使用这些纤维,有可能制造100%的生物基轻质复合材料,可以用于结构要求较高的应用,如汽车产品。”由于纤维素与生物组织相容,我们设想这种材料以纤维作为支架的关键组件可以成为医学上的承重材料。

Sderberg相信医学上的应用将在未来五年内实现,轻质、承载的建筑应用需要稍长时间才能实现。

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