Een grote doorbraak in het onderzoek naar ultrasterke koolstofnanobuisvezels in China

Onlangs werkte het team van professor Wei Fei van de afdeling Chemische Technologie van Tsinghua University samen met prof. Li Xide van de School of Aeronautics and Astronautics van Tsinghua University om een ​​grote doorbraak te bewerkstelligen op het gebied van superlange koolstof nanobuisvezels. Voor het eerst ter wereld werd gemeld dat de theoretische sterkte van enkelvoudige koolstofnanobuisjes extreem lang was. Bundels van koolstofnanobuisjes hebben een treksterkte die alle andere momenteel gevonden vezelmaterialen overtreft.

Koolstofnanobuisjes worden beschouwd als een van de krachtigste materialen die momenteel worden gevonden, met treksterktes van meer dan 100 GPa en meer dan 10 koolstofvezelsterktes. Wanneer echter een enkele koolstofnanobuis met uitstekende mechanische eigenschappen wordt geprepareerd tot een macroscopisch materiaal, zijn de prestaties vaak ver onder de theoretische waarde. Ultralange koolstofnanobuisjes daarentegen hebben een lengte van centimeters of zelfs decimeters en hebben een perfecte structuur, met uniforme oriëntatie en mechanische eigenschappen die dicht bij de theoretische limiet liggen, en hebben grote voordelen bij de bereiding van supersterke vezels.

Door in-situ gasstroomfocusmethoden te gebruiken, kan het onderzoeksteam de voorbereiding van een centimeter continue superlange koolstofnanobuisbuis met een bepaalde samenstelling, een perfecte structuur en een parallelle opstelling regelen, en vermijdt vakkundig de beperkende factor. Door bundels ultralange koolstofnanobuisjes te maken die verschillende aantallen eenheden bevatten en de effecten van hun samenstelling op de mechanische eigenschappen van bundels ultralange koolstofnanobuisjes kwantitatief te analyseren, werden gevestigde fysische/wiskundige modellen opgesteld.

Uit de studie bleek dat de initiële spanningsverdeling van de koolstofnanobuisjes in de buizenbundel niet uniform is, zodat de koolstofnanobuisjes in de buizenbundel niet kunnen worden onderworpen aan gelijktijdige en uniforme krachten, wat op zijn beurt leidt tot een afname van de algehele sterkte, dat wil zeggen het "Daniel-effect". Op basis hiervan stelde het onderzoeksteam een ​​"synchrone relaxatie" -strategie voor, die de initiële spanning van de koolstofnanobuisjes in de buizenbundel door nanomanipulatie opheft, zodat deze zich in een smal distributiebereik bevindt, en dus de treksterkte van de koolstofnanobuisbundel. Verhoogd tot boven 80 GPa, dicht bij de treksterkte van enkele koolstof nanobuisjes.

Dit werk onthult de mooie vooruitzichten van het gebruik van ultralange koolstofnanobuisjes voor de vervaardiging van supervezels, en wijst tegelijkertijd op de richtingen en methoden voor de ontwikkeling van nieuwe supervezels.