碳纳米管纤维内的管间力学增强及其断裂行为研究

碳纳米管纤维是由碳纳米管构成的宏观纤维材料，具有巨大的潜在应用价值。碳纳米管本身具有极好的力学性能，但是现在报道的碳纳米管纤维力学性能远低于碳纳米管本身，其主要原因在于纤维中碳纳米管间弱的范德华力导致的管间滑移。本申请项目主要围绕如何实现碳纳米管纤维中管与管之间的力学增强展开研究。研究工作主要围绕以下几个方面开展：（1）基于碳纳米管束缚（软链接）原理的管间无损增强；（2）基于碳/碳增强（硬链接）原理的管间无损增强；（3）荷能粒子束焊接基础上的管间损伤增强。并通过原位拉曼光谱与力学性能测试，研究上述分别基于软链接和硬链接、管体损伤和无损等不同原理下，纤维力学行为的异同，建立碳纳米管纤维的有效增强机制和模型。在此基础上，期望通过连续湿法纺丝和管间增强技术，实现断裂强度超过当前报道的1.8 GPa的新型碳纳米管纤维，为发展高浓度碳纳米管纤维的加工技术奠定基础。

本项目以碳纳米管组装形成的新型纳米碳纤维为研究对象，围绕包括有损方式和无损方式在内的多种增强方式提高纤维的力学性能，研究纤维的微观增强机理及断裂机制，并发展纤维的批量加工制备技术。本项目研究已顺利完成，并取得了高于预期的多项成果，简述如下：(1)通过对纤维组装基本单元微观结构的控制，改进纤维内碳纳米管的结合性能，提高纤维力学拉伸强度达到1.4 GPa；(2)系统地研究了不同溶剂分子在收缩碳纳米管纤维中的不同作用；(3)通过高性能聚合物分子的引入有效调节纤维内纳米管间的结合作用，实现纤维的无损增强，纤维强度达到2.5 GPa；(4)对碳纳米管纤维进行有损改进，通过引入官能团及共价键合，不仅有效提高纤维的力学性能，并赋予纤维优异的多功能特性。另外，通过利用纤维制备前躯体的薄膜材料，还发展了高强度及多功能性的碳纳米管复合薄膜材料。通过对本项目的实施，已申请中国发明专利7项，授权2项，在国际核心学术期刊上发表论文7篇，国内核心学术期刊发表论文2篇，并受邀撰写专著1章。