超长碳纳米管管束的可控制备及其结构与力学性能关系的研究

High-strength fibers are in great demand in numerous fields. Carbon nanotubes (CNTs) are considered as one of the strongest materials ever found and have shown extraordinary advantages for fabricating high-strength fibers. However, the reported CNT fibers did not show much advantages over carbon fibers (CFs) in terms of strength. The reason is that the as-employed CNTs are short ones with length shorter than millimeters and also many structural defects. In contrast, among the different types of CNTs, ultralong CNTs with lengths over decimeter and fewer structural defect are the best candidate for the fabrication of superstrong fibers. However, due to the difficulty in the mass production of ultralong CNTs, there is no report on the fabrication of superstrong fibers using ultralong CNTs, thus remaining a lot of unknown fundemental questions in this area. In this study, we plan to conduct research on the fabrication and relationship between the structures and mechanical properties of ultralong CNT fibers using ultralong CNT bundles as a platform. We will first fabricate ultralong CNT bundles with defined CNT numbers and structures. Then we will precisely measure their mechanical strength and establish a quantitative relationship between their strength and structures. We will also explore feasile strategies for improving their mechanical strength. We hope this study will pave way for the fabrication of superstrong fibers using ultralong CNTs.

高强度纤维面临巨大的需求。碳纳米管（简称碳管）被认为是力学性能最好的材料之一，在制备高强度纤维方面具有巨大优势。但目前已报道的碳管纤维并未表现出明显高于常规碳纤维的强度，原因在于所用的碳管样品均为长度局限在毫米级以内并具有很多缺陷的短碳管。相比之下，结构完美且长度可达分米级以上的超长碳管在制备高强度纤维方面具有巨大的优势。但由于目前超长碳管尚无法达到宏观肉眼可见的产量，截止目前一直没有利用超长碳管制备纤维的报道。因此，在超长碳管制备纤维及所制纤维如何保持单根碳管强度等方面还存在很多未知关键科学问题。申请人拟利用超长碳管管束作为纤维模型，对上述问题开展探索。通过制备含有精确结构的超长碳管管束，定量分析其组成和结构对管束力学性能的影响，建立确定的物理/数学模型，并提出可行性技术方案以制备出达到或接近单根碳管强度的超长碳管管束，以期对超长碳管纤维制备这一方向做出开创性的基础研究工作。

高强度纤维在航空航天、军工制造、高性能运动器材等诸多尖端应用领域面临巨大的需求。碳纳米管被认为是目前已知的力学性能最好的材料之一，具有远超碳纤维的比强度。然而，目前报道的宏观碳纳米管纤维的力学性能远远低于单根碳纳米管的理论性能，其原因在于纤维中碳纳米管的单体长度短、缺陷多，以及管束间易发生滑移和断裂。为解决超强超韧碳纳米管纤维的制备领域的关键基础科学问题，拓宽碳纳米管纤维的应用领域，本项目以超长碳纳米管管束和纤维为切入点，围绕超强超韧纤维的高效制备、极致性能及尖端应用开展了广泛而深入的探索。在超强超韧碳纳米管管束与纤维的力学性能研究方面，发展了原位气流聚焦法用于制备具有特定结构和组成的超长碳纳米管管束，并用同步张弛法将其拉伸强度提升至80 GPa以上，达到接近于单根碳纳米管的理论力学强度；利用非接触式声学共振测试系统发现了超长碳纳米管的超耐疲劳性质，揭示了碳纳米管的疲劳破坏机制。在超长碳纳米管的生长机理和批量制备方面，提出了基底固有热效应的概念，成功解释了超长碳纳米管“风筝”生长机理背后的漂浮机制；提出了浮游催化剂化学气相沉积和传统超长碳纳米管生长过程的内在本征联系，从方法论层面提出全新的基底拦截导向策略，使超长碳纳米管的阵列密度和产率提升2–3个数量级。在超强超韧纤维的功能化及应用方面，提出了利用结构致色实现碳纳米管彩色化的思路，发展了一系列具有简便高效、全色系、高通量、超耐久、超阻燃等特性的碳纳米管结构致色方法；发展了一种烟辅助的碳纳米管光学可视化方法，其兼具快速、简便、安全、稳定、环境友好、可去除等优势；制备了对气流有超灵敏响应的悬空超长碳纳米管网络，取得了超快响应、高灵敏度、低检测阈值、宽检测范围等优异的综合性能。