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

通訊作者：張錦、蹇木強、吳先前、高恩來、張永毅

通訊單位：北京大學、北京石墨烯研究院、中國科學院力學研究所、武漢大學、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所

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北京大學張錦院士、北京石墨烯研究院蹇木強、中國科學院力學研究所吳先前、武漢大學高恩來、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張永毅等研究人員于Science發表最新工作，標題為《Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa》。

高動態強度對于在高應變率環境中使用的纖維材料至關重要。碳納米管纖維是最有前途的候選材料之一。當將碳納米管(CNTs)加工成纖維時，一個反復出現的問題是纖維的機械性能遠不如本征CNTs的機械性能。

本研究開發了一種策略，通過優化層級結構，制造出具有14 GPa動態強度和優異能量吸收性能的碳納米管纖維（CNTFs）。這些纖維的動態性能歸因于高應變率加載過程中單個納米管的同時斷裂以及沖擊能量離域，這得益于界面相互作用、納米管排列和致密化的改進。本工作展示了一種有效策略，利用單個碳納米管的強度在宏觀尺度上，并提供了新的機制見解。

圖文導讀

圖1.?制備高度有序和緊密堆積CNTFs的策略，PBO-CNTF絲束的照片，以及D-PBO-CNTFs的三維重建空隙微觀結構和徑向截面的SEM與TEM圖像。雷達圖比較了不同CNTFs和商業纖維的機械性能。

圖2.?CNTFs的結構表征：PBO-CNTFs軸向截面的SEM和TEM圖像，WAXS圖案，不同纖維的方位強度分布，CNTs在纖維中的排列比較，以及通過聚焦離子束切割的F-CNTFs和PBO-CNTFs的橫截面SEM圖像和通過納米CT重建的三維空隙微觀結構。

圖3.?CNTFs的機械性能：F-CNTFs、CSA-CNTFs、PBO-CNTFs和D-PBO-CNTFs在準靜態下的應力-應變曲線，準靜態拉伸強度、楊氏模量和韌性的比較，以及在高應變率下的性能比較。

圖4.?CNTFs動態性能的機理分析：F-CNTFs和PBO-CNTFs在應用應變下拉曼頻率下移的依賴性，不同纖維在1.5%應變下的應力馳豫曲線，以及CNTFs在有無PBO情況下的模擬拉伸處理快照。

總結展望

本研究成功開發了一種策略，通過逐步拉伸、PBO納米纖維和分子鏈的注入以及機械軋制，顯著提高了CNTFs的界面相互作用、納米管排列和致密化，從而實現了14 GPa的超高強度。

實驗表征和多尺度分析表明，CNTFs的動態性能主要歸因于高應變率加載過程中單個納米管的同時斷裂和沖擊能量的離域。這些發現為利用單個CNTs的固有強度在宏觀尺度上制造抗沖擊纖維材料提供了可行的途徑。

文獻信息

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

期刊：Science

DOI：10.1126/science.adj1082