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比凯夫拉尔纤维强30倍碳纳米管纤维问世

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实验表明碳纳米管是坚硬的,通过一些措施测试,它比凯夫拉尔纤维强30倍以上。因为它们只有几个原子厚,单个纳米管通常很短,很难让它们沿相同的方向排列。现在,北京清华大学的一个专研小组已经找到了解决这些问题的方法。它能够合成长度为几厘米的纳米管,并将它们捆绑在一起制成几乎与单个纳米管一样强的纤维。这也暗示纳米管可能最终会突破微观领域。

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将纳米管组装成有用纤维的最大问题是单个纳米管的长度。这就是保持纤维短小的原因,而松散的末端可能会导致削弱最终产品的缺陷。因此,制造更好碳纳米管的第一步是找到一种方法来制造更长的碳纳米管。这是通过称为化学气相沉积的标准技术的变体完成的,其中产生纳米管的反应物存在于反应室中。在这种情况下,研究人员将反应物以单一方向流过腔室,纳米管沿着与流动方向相同的方向排列。

这个过程产生了可延伸到几厘米长的碳纳米管群体。测试显示拉伸强度为120千兆帕,表明纳米管没有缺陷。“强”不完全是一个明确的物理量。而且可以有不同类型的韧性。在谈论诸如纤维和电缆之类的事情时,相关数量称为拉伸强度,这是衡量在卡入之前可以施加大力量来拉伸物体的量度。

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拉伸强度以帕斯卡测量,与用于量化压力的单位相同。高强度钢缆可以达到大约2000兆帕。但碳纳米管的拉伸强度为100 千兆帕斯卡,或50倍更强硬。这些数字是最大值; 还有一个工程抗拉强度,可以记录更典型的性能,通常稍低。例如,本次测得的一个样品的拉伸强度为80千兆帕斯卡,但其工程拉伸强度为43千兆帕斯卡。下一个问题是捆绑管,研究人员能够使用类似的方法来解决这个问题。在纳米管上方变窄了腔室,形成了一个将纳米管压在一起的通道。一旦压在一起,称为范德华力的基本化学相互作用将它们固定在一起。

不幸的是,它们明显比单个纳米管弱。随着越来越多的纳米管被纳入束中,失效时的拉伸应力下降,在50千兆帕斯卡左右的某个位置触底,或者低于单个纳米管强度的一半。那么什么地方出了问题呢?

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通过跟踪单个束的应变得到了提示。在单个纳米管中,应变会累积直至管子断裂,此时应变降至零。但是对于捆绑包来说,这种会建立起来会下降到一些中间层次,结论是束中的纳米管没有沿着它们的长度对齐,所以有一些膨胀了一点,其他的则较短。因此,将这些束放在压力之下会对较短的那些产生压力,而较长的那些刚刚处于储备之中。从来没有一个地方整个捆绑分配压力。

幸运的是,这个实验也向他们展示了如何解决这个问题。将束保持在一起的力不是特别强,并且应该可以在束内围绕单个纳米管转移而不破坏任何东西。为此,研究人员简单地通过循环应力松弛循环,他们推断应该引起一些内部重排。这个过程使抗拉强度恢复到80千兆帕 ,不是单个纳米管的完整强度,但比以前好得多。这是凯夫拉尔强度的25倍,是现有工程纤维的5倍。

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这项工作可以在“运动装备,防弹装甲,航空航天,甚至是太空电梯”中应用,但我们仍然离这一切很遥远。我们希望有一些连续的生产过程,而不是以厘米长的块合成纳米管。尽管如此,这项工作还是很重要的,因为它暗示一个超微米级纳米管的新应用领域的诞生。





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