Крупный прорыв в исследовании сверхпрочных волокон углеродных нанотрубок в Китае

Недавно группа профессора Вэй Фэя из кафедры химической инженерии Университета Цинхуа объединилась с профессором Ли Сидэ из Школы аэронавтики и астронавтики Университета Цинхуа, чтобы совершить крупный прорыв в области сверхдлинных волокон углеродных нанотрубок. Впервые в мире было сообщено, что теоретическая прочность одиночных углеродных нанотрубок оказалась чрезвычайно большой. Пучки углеродных нанотрубок обладают прочностью на разрыв, которая превосходит все другие существующие в настоящее время волокнистые материалы.

Углеродные нанотрубки считаются одним из самых прочных материалов, известных в настоящее время: их прочность на разрыв превышает 100 ГПа, а прочность углеродного волокна — более чем в 10 раз. Однако когда из одной углеродной нанотрубки с превосходными механическими свойствами изготавливается макроскопический материал, его характеристики часто оказываются намного ниже теоретического значения. Напротив, сверхдлинные углеродные нанотрубки имеют длину в сантиметры или даже дециметры и обладают идеальной структурой с равномерной ориентацией и механическими свойствами, близкими к теоретическому пределу, и обладают большими преимуществами при изготовлении сверхпрочных волокон.

Используя методы фокусировки газового потока в место, исследовательская группа может контролировать подготовку непрерывной сверхдлинной сантиметровой углеродной нанотрубки с определенным составом, идеальной структурой и параллельным расположением, а также умело избегать ограничивающего фактора. Путем подготовки пучков сверхдлинных углеродных нанотрубок, содержащих различное количество единиц, и количественного анализа влияния их состава на механические свойства пучков сверхдлинных углеродных нанотрубок были созданы устоявшиеся физические/математические модели.

Исследование показало, что начальное распределение напряжений углеродных нанотрубок в пучке трубок неравномерно, поэтому углеродные нанотрубки в пучке трубок не могут подвергаться одновременным и равномерным усилиям, что в свою очередь приводит к снижению общей прочности, то есть к «эффекту Даниэля». Исходя из этого, исследовательская группа предложила стратегию «синхронной релаксации», которая снимает начальное напряжение углеродных нанотрубок в пучке трубок путем наноманипуляции, так что оно находится в узком диапазоне распределения, и, таким образом, прочность на разрыв пучка углеродных нанотрубок Повышено до более чем 80 ГПа, что близко к пределу прочности на разрыв одиночных углеродных нанотрубок.

В данной работе раскрываются радужные перспективы использования сверхдлинных углеродных нанотрубок для изготовления суперволокон, а также указываются направления и методы разработки новых суперволокон.