Een belangrijke doorbraak in het onderzoek naar ultrasterke koolstofnanobuisvezels in China

Onlangs werkte het team van professor Wei Fei van de afdeling chemische technologie van de Tsinghua-universiteit samen met prof. Li Xide van de School of Aeronautics and Astronautics van de Tsinghua-universiteit om een ​​grote doorbraak te bewerkstelligen op het gebied van superlange koolstofnanobuisvezels. Voor het eerst ter wereld werd gemeld dat de theoretische sterkte van enkele koolstofnanobuisjes extreem lang was. Koolstofnanobuisbundels hebben een treksterkte die alle andere momenteel bestaande vezelmaterialen overtreft.

Koolstofnanotubes worden beschouwd als een van de krachtigste materialen die momenteel bestaan, met een treksterkte van meer dan 100 GPa en een sterkte van meer dan 10 keer die van koolstofvezels. Wanneer echter een enkele koolstofnanobuis met uitstekende mechanische eigenschappen wordt verwerkt tot een macroscopisch materiaal, liggen de prestaties ervan vaak ver onder de theoretische waarde. Daarentegen zijn ultralange koolstofnanobuizen centimeters of zelfs decimeters lang en hebben ze een perfecte structuur, met een uniforme oriëntatie en mechanische eigenschappen die dicht bij de theoretische limiet liggen. Ze hebben grote voordelen bij de bereiding van supersterke vezels.

Door gebruik te maken van in-situ gasstroomfocusseringsmethoden kan het onderzoeksteam de bereiding van een centimeter lange continue superlange koolstofnanobuis met een bepaalde samenstelling, een perfecte structuur en een parallelle opstelling controleren en de beperkende factor vakkundig omzeilen. Door bundels van ultra-lange koolstofnanobuizen met verschillende aantallen eenheden te bereiden en de effecten van hun samenstelling op de mechanische eigenschappen van bundels van ultra-lange koolstofnanobuizen kwantitatief te analyseren, werden vastgestelde fysische/wiskundige modellen opgesteld.

Uit het onderzoek bleek dat de initiële spanningsverdeling van de koolstofnanobuisjes in de buizenbundel niet uniform is, waardoor de koolstofnanobuisjes in de buizenbundel niet aan gelijktijdige en uniforme krachten kunnen worden onderworpen, 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 ​​strategie voor van ‘synchrone relaxatie’, waarbij de initiële spanning van de koolstofnanobuizen in de buizenbundel door nanomanipulatie wordt opgeheven, zodat deze zich in een nauw distributiebereik bevindt, en dus de treksterkte van de koolstofnanobuisbundel Verhoogd tot boven de 80 GPa, dicht bij de treksterkte van enkele koolstofnanobuizen.

Dit werk onthult de veelbelovende vooruitzichten van het gebruik van ultra-lange koolstofnanobuizen voor de productie van supervezels. Tegelijkertijd geeft het aan welke richtingen en methoden er zijn voor de ontwikkeling van nieuwe supervezels.