研究背景
随着高应变率环境应用的增加，如弹道冲击和飞机及航天器上的不可追踪碎片撞击，对超高动态强度和能量吸收纤维材料的需求引起了广泛关注。这些材料在这些应用中具有根本性的重要性，因为它们能够有效抵抗冲击并保护关键结构。碳纳米管（CNTs）由于其超过100吉帕（GPa）的固有强度，被认为是构建高性能和多功能纤维的有前途的构建块，可以用于准静态和动态环境中。然而，目前制备的碳纳米管纤维（CNTFs）的准静态和动态机械性能远低于单个CNT的性能，主要受限于纺丝过程中形成的界面相互作用差、纳米管排列低和高孔隙率。这些问题限制了CNTFs在高应变率应用中的广泛使用。为了解决这些问题，科学家们开发了各种后处理方法来改进CNTFs的层次结构，包括溶液致密化、机械处理和热退火等。然而，即使经过这些改进，CNTFs的抗拉强度仍然低于10 GPa，特别是其动态强度远低于单个CNT的100 GPa以上的固有强度，这表明CNTFs的强度仍有很大的提升空间。因此，研究人员一直在寻找能够更有效地利用碳纳米管固有强度的方法。有鉴于此，北京大学张锦院士团队及其合作者提出了一种新的策略，通过逐步拉伸、注入PBO纳米纤维和分子链（以下简称PBOs），以及机械滚压的方法，来改进CNTFs的界面相互作用、纳米管排列和致密化。首先，将功能化的碳纳米管纤维（F-CNTFs）浸泡在含有PBOs的氯磺酸（CSA）溶液中，使其因质子化效应而明显膨胀。然后，在逐步拉伸处理过程中，将PBOs注入F-CNTFs，形成PBO-CNTFs。最后，使用机械滚压对P BO-CNTFs进行致密化处理，形成致密化PBO-CNTFs（D-PBO-CNTFs）。这种方法能够连续生产高性能纱线，并且所得纤维具有高度有序和密集的结构，具有强界面相互作用。相关研究在“Science”期刊上发表了题为“Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa”的最新论文。实验结果显示，致密化PBO-CNTFs（D-PBO-CNTFs）表现出高准静态抗拉强度8.2 ± 0.2 GPa和韧性170.3± 17.9 MJ m–3，相较于功能化碳纳米管纤维（F-CNTFs），其抗拉强度增加了355%，韧性增加了106%。在高应变率环境下，D-PBO-CNTFs表现出14.0 ± 0.7 GPa的动态强度和462.6± 102.1 MJ m–3的韧性，远高于目前商业纤维的性能。该研究不仅提供了一种有效利用单个碳纳米管强度的策略，还为提升碳纳米管纤维在高应变率应用中的性能提供了新的机制见解。通过这一研究，科学家们在将纳米材料组装成宏观高性能纤维的道路上迈出了重要一步，为未来高性能纤维材料的开发提供了新的方向。
科学亮点
（1）实验首次将层次结构优化策略应用于碳纳米管纤维（CNTFs）的制造，得到了具有超高动态强度和卓越能量吸收性能的CNTFs。通过逐步拉伸、PBO纳米纤维和分子链注入以及机械滚压等方法，研究人员成功地提高了CNTFs的界面相互作用、纳米管排列和致密化，最终获得了动态强度达到14吉帕（GPa）的碳纳米管纤维。
- 首先，功能化的碳纳米管纤维（F-CNTFs）被浸泡在含有PBOs的氯磺酸（CSA）溶液中，利用质子化效应使纤维膨胀。
- 然后，在逐步拉伸处理过程中将PBOs注入F-CNTFs，形成PBO-CNTFs。
- 最后，使用机械滚压对PBO-CNTFs进行致密化处理，得到最终的高性能纤维（D-PBO-CNTFs）。
（3）实验结果表明，所得D-PBO-CNTFs纤维具有高度有序和密集的结构，表现出强界面相互作用。与未经处理的F-CNTFs相比，D-PBO-CNTFs的抗拉强度提高了355%，达到了8.2 ± 0.2 GPa；韧性提高了106%，达到了170.3 ± 17.9 MJ m–3。在高应变率（约1400 s–1）下，D-PBO-CNTFs的动态强度达到了14.0 ± 0.7 GPa，韧性达到了462.6 ± 102.1 MJ m–3。这些数值显著高于商业纤维，例如PBO纤维和Kevlar 29纤维。
图文解读
图1：CNTF的制备、形貌和机械性能。
研究结论
本文通过优化碳纳米管纤维（CNTFs）的制备过程，充分利用了纳米级别的单个碳纳米管的高强度特性，将其转化为宏观尺度上的动态强度和能量吸收能力。首先，通过改善CNTFs的界面相互作用、纳米管排列和致密化，我们实现了纤维结构的精细化和强化，显著提升了其在高应变率加载下的动态强度，达到了14 GPa的水平。其次，通过多尺度的分析手段和实验验证，揭示了CNTFs在高应变率条件下的动态性能机制，包括个别纳米管的同时断裂以及冲击能量在纤维中的广泛分散现象。这些研究结果不仅深化了对CNTFs材料力学行为的理解，也为设计和制造更加耐冲击的纤维材料提供了理论和实验依据。此外，本文展示了一种有效的策略，即通过在CNTFs中实现高效能量吸收能力，从而在实际应用中提升材料的性能和可靠性。这些结果不仅对纤维材料领域具有重要的学术价值，也为相关工业应用（如航空航天和防护材料）的进步提供了新的技术途径和思路。Xinshi Zhang et al. ,Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa.Science384,1318-1323(2024).DOI:10.1126/science.adj1082
