中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室“納米材料與介觀物理”研究組在碳納米管宏觀薄膜及纖維結(jié)構(gòu)的制備與性能研究方面取得系列進(jìn)展。該研究組解思深院士指導(dǎo)的博士生馬文君等人關(guān)于碳納米管宏觀結(jié)構(gòu)中的微觀力學(xué)過(guò)程的研究結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials (2009, 21, 603-608）上，被選為該期內(nèi)封面文章；關(guān)于連續(xù)碳納米管網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)復(fù)合材料的研究結(jié)果發(fā)表在Nano. Lett. (2009, 9, 2855-2861) 上，并被Nature China網(wǎng)站以Composites: True strength lies within為標(biāo)題作為Research Highlights進(jìn)行報(bào)道。

    碳納米管是由單層或多層石墨片層卷曲而成的典型一維納米材料，其力學(xué)性質(zhì)及可能的應(yīng)用一直廣受研究者關(guān)注。目前已經(jīng)證實(shí)，單壁碳納米管的軸向力學(xué)性質(zhì)接近完美石墨片層的理論值，是已知材料中最高的，利用碳納米管作為增強(qiáng)材料制備聚合物復(fù)合材料可能具有非常優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)。在這樣誘人前景的鼓舞下，近年來(lái)很多研究人員進(jìn)行了大量的工作，但取得的進(jìn)展卻遠(yuǎn)低于預(yù)期目標(biāo)，碳納米管真正的潛力并沒(méi)有在宏觀尺度的材料中得到應(yīng)有的體現(xiàn)。

    針對(duì)碳納米管宏觀結(jié)構(gòu)與碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料研究中的難題，物理所該研究組進(jìn)行了長(zhǎng)期而深入的研究。他們?cè)趪?guó)際上最早制備出了宏觀長(zhǎng)度的碳納米管陣列（Nature, 1998, 194, 631），并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性質(zhì)測(cè)量；近年來(lái)與國(guó)家納米科學(xué)中心張忠研究員小組合作，通過(guò)原位拉曼光譜的測(cè)量，首次詳細(xì)闡述了宏觀碳納米管結(jié)構(gòu)受力時(shí)的微觀力學(xué)過(guò)程，并可通過(guò)光譜學(xué)信息預(yù)測(cè)出宏觀碳納米管薄膜及纖維的力學(xué)性質(zhì)，在宏觀碳納米管結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)研究及應(yīng)用方面取得了突破性的成果(Advanced Materials, 2009, 21, 603)。在這些工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)與國(guó)家納米科學(xué)中心張忠研究員小組、中科院力學(xué)研究所、中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院等單位合作，在廣泛調(diào)研與分析后得出結(jié)論：針對(duì)納米尺度碳納米管新型增強(qiáng)體，需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎的力承載與傳遞結(jié)構(gòu)單元。為此，獲得高性能的碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的關(guān)鍵是提高碳管含量、增大界面強(qiáng)度、使碳管在基體中能夠定向且盡量伸直。直接將碳納米管分散到聚合物基體中雖然簡(jiǎn)單易行，但并不適合碳納米管這種納米尺度的新型增強(qiáng)材料，需要用新思路發(fā)展不同于傳統(tǒng)復(fù)合材料工藝的新方法。他們利用CVD方法預(yù)先制備出宏觀尺度連續(xù)的碳納米管網(wǎng)絡(luò)（Nano. Lett. 2007, 7, 2307），構(gòu)成連續(xù)的應(yīng)力傳遞載體，再將高聚物分子填充入納米尺度的碳納米管網(wǎng)絡(luò)之中，使碳納米管與高聚物分子在分子尺度發(fā)生耦合構(gòu)成共穿網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)這種方法制備出的新型復(fù)合材料，碳納米管的體積含量可達(dá)30%~50%，突破了傳統(tǒng)制備方法中5%體積含量的極限。其力學(xué)強(qiáng)度可達(dá)1.6 GPa，高于同等體積含量的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合條帶。與采用離散碳納米管增強(qiáng)的復(fù)合材料相比，這種新型復(fù)合材料的強(qiáng)度有了數(shù)量級(jí)的增加。

    他們?cè)卺槍?duì)這種新型復(fù)合材料的微觀力學(xué)過(guò)程的研究中還發(fā)現(xiàn)，在聚合物分子鏈段與碳納米管管束間相互耦合作用下，復(fù)合材料宏觀應(yīng)變傳遞到碳納米管軸向應(yīng)變的傳遞效率是常規(guī)方法制備的離散碳管增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)倍，并且耦合方式會(huì)因所采用的聚合物分子結(jié)構(gòu)不同而不同。傳統(tǒng)復(fù)合材料領(lǐng)域內(nèi)所使用的混合定則不能夠描述這種分子尺度的耦合現(xiàn)象。基于這一發(fā)現(xiàn)，他們創(chuàng)新性地將應(yīng)變傳遞因子引入到通用的混合定則當(dāng)中，提出了適用于碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的改進(jìn)后的混合定則，用以描述納米尺度增強(qiáng)體與聚合物基在分子尺度的耦合對(duì)復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的影響。該研究成果(Nano. Lett. 2009, 9, 2855-2861)不僅解決了制備及改善碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的一個(gè)難題，對(duì)其它納米復(fù)合材料的研究也有著一定的借鑒作用。

    該工作在完成后得到了本領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注與好評(píng)。審稿人認(rèn)為，“該研究所討論的問(wèn)題在突破碳納米管增強(qiáng)纖維5%含量壁壘方面具有高度重要性”。在2009年12月由科技部基礎(chǔ)研究管理中心組織專家進(jìn)行的“2009年度中國(guó)基礎(chǔ)研究十大新聞”的初評(píng)工作中，經(jīng)過(guò)專家組對(duì)近200項(xiàng)推薦新聞的評(píng)選，關(guān)于連續(xù)碳納米管網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的研究成果進(jìn)入了本年度評(píng)選的30項(xiàng)候選新聞。

    相關(guān)工作得到中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部項(xiàng)目的資助。


圖1.宏觀碳納米管薄膜及纖維的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)。a）宏觀碳納米管薄膜及纖維的微觀結(jié)構(gòu)。b）宏觀碳納米管薄膜及纖維的拉伸曲線。c）宏觀碳納米管薄膜及纖維在應(yīng)力下的拉曼光譜。

圖2.新型碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及碳納米管網(wǎng)絡(luò)與高分子之間的耦合。

圖3.a）碳納米管復(fù)合纖維的拉伸曲線。b）高聚物基體、碳納米管宏觀結(jié)構(gòu)及復(fù)合纖維的力學(xué)性質(zhì)匯總。