單根碳納米管具有遠高于聚合物單鍊的力學強度和熱導率。如何讓千萬根碳納米管組成的宏觀體纖維在力學強度、模量、韌性、延展性和熱導率等指标上趕超碳纖維和Kevlar等标杆型聚合物合成纖維，充分釋放其中單根組分的性能潛力，被認為是碳納米管宏觀體纖維實現廣泛應用的關鍵前提。近年來，以超強酸處理碳納米管的強化研究實現了較高性能纖維的制備，但是如何降低相關方法對于原材料的純度、長度、直徑等的苛刻要求，使方法适用于連續宏量的制備條件成為研究人員關注的重點，而相應的性能強化原理的揭示也将為進一步提高纖維性能提供指導。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚态物理國家研究中心A05組張霄特聘研究員、魏小均副研究員、劉華平研究員、周維亞研究員以及解思深院士，與英國劍橋大學工程系Adam Boies教授、Michael De Volder教授以及材料冶金系James Elliott教授合作，發展了基于超強酸的雙拉強化技術，基于大批量生産的粗制碳納米管纖維原材料，實現了趕超标杆商業合成纖維的綜合優異性能，并揭示了基于超強酸的纖維強化原理。他們基于浮動催化法CVD（FCCVD）連續大批量制備的、較低質（IG:ID~5）、大線密度（~0.5 tex）的碳納米管纖維原材料，采用“雙拉”強化的工藝，也即先在超強酸（氯磺酸）中充分拉伸，有效梳理卷曲、纏繞、排布混亂的碳納米管組元，再在氯仿中拉伸緊緻擠出殘餘的超強酸，增加管間相互作用，使強化後的纖維同步實現比強度3.30 N/tex、比模量134 N/tex、斷裂能70 J/g和熱導率354 W/m/K的優異綜合性能。

圖1. 雙拉強化碳納米管纖維[先後在氯磺酸（CSA）和氯仿中進行拉伸形變]的工藝流程圖（上）與纖維微觀結構演變二維示意圖（下）。

這讓雙拉強化碳納米管纖維在力學性能上全面超過以韌性著稱的Kevlar纖維，趕超以強度著稱的T800SC等标杆碳纖維和SK60 Dyneema纖維，并在其斷裂能和熱導率等劣勢上實現遠超。

圖2. 雙拉強化前後碳納米管纖維的微觀形貌對比。（a vs b）纖維的FIB橫切面顯示緊實度在強化後得到顯著提高，（c vs d）TEM觀察顯示碳納米管網絡有序度明顯增加，碳納米管集成為有序的粗大管束。

為了探究基于超強酸的纖維強化原理，他們使用原位拉曼光譜系統表征纖維受拉伸時碳納米管組元的應變分布情況。再結合、對比廣角X射線衍射（WAXD）對組元取向度的分析，以及基于纖維FIB切面的孔隙率分析等，他們發現傳統的基于取向度和緊實度的原理框架并不足以解釋超強酸相關的強化過程。

圖3. 利用原位拉伸偏振拉曼光譜測量碳納米管纖維中組元的應變分布情況。（a）原始纖維中隻有很少量組元在承受載荷，且組元小應變就誘發滑移；（b）雙拉強化後的性能提升來源于荷載組元比例的顯著提升，以及滑移開啟的顯著延遲。

纖維力學性能的大幅增強更可能主要得益于以下因素：①更多的碳納米管管束被拉直，從而大幅增加了纖維中的有效荷載組元比例；②單根碳納米管中更長部分加入荷載管束，從而延緩了管間滑移的開啟。該研究将為推進碳納米管纖維在高強度、高韌性材料和優異熱管理方面實現應用起到重要指導作用。

圖4. 雙拉強化碳納米管纖維的二維原理示意圖。纖維在超強酸中的拉伸讓更多管束成為最短的荷載管束（紅色），且衆多碳納米管上更長部分得以貼附于荷載管束上，成為有效荷載長度（實心藍箭頭），從而推遲了滑移開啟。

相關研究成果最近以“Simultaneously enhanced tenacity, rupture work, and thermal conductivity of carbon nanotube fibers by raising effective tube portion”為題發表在Science子刊Science Advances【Sci. Adv. 2022, 8(50), eabq3515】上。中科院物理研究所的解思深院士、英國劍橋大學工程系Adam Boies教授、Michael De Volder教授和材料冶金系James Elliott教授是該工作的通訊作者。

該研究成果得到了國家重點研發計劃項目（2018YFA0208402, 2020YFA0714700）和英國EPSRC項目“ANAM Initiative” EP/M015211/1等的資助。該工作還得到了北京工業大學周文斌教授、以色列理工學院R. Khalfin、Y. Cohen教授等在實驗方面的支持。

文章鍊接

編輯：小聰

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