高性能纤维在空间碎片撞击、冲击防护等高应变率场景有广泛的应用需求。碳纳米管具有轻质、高强、高模、高导电、高导热等优异特性，被认为是新一代高性能纤维的理想组装基元之一。受限于纤维组装结构的问题，碳纳米管纤维的强度仍远低于其理想强度，具有巨大的提升空间。

近日，北京大学/北京石墨烯研究院张锦院士和蹇木强副研究员、中国科学院力学研究所吴先前研究员、武汉大学高恩来副教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张永毅研究员等紧密合作，提出一种碳纳米管纤维多尺度结构优化策略，系统提高碳纳米管管间作用、纤维取向性和致密性，使得纤维的动态强度高达14 GPa，突破现有纤维的强度记录。相关工作以“Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa”为题发表在Science上。

研究团队对浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管纤维进行纯化/功能化处理，然后将纤维置于聚合物（PBO）/氯磺酸溶液中进行机械训练处理，并进一步经过机械致密化处理，制备了强管间作用、高取向性和高致密性碳纳米管纤维（图1），实现纤维准静态和动态强度的性能突破。

图1 碳纳米管纤维的制备、结构与性能。（A）多尺度结构优化策略制备高性能碳纳米管纤维；（B-D）碳纳米管纤维的结构表征；（E）碳纳米管纤维与其他纤维的力学性能对比

碳纳米管的跨尺度有序组装赋予纤维优异力学性能。碳纳米管纤维的准静态强度达到8.2 GPa，传统防弹性能评价指标Cunniff速度超过1100 m/s（图2A-C），同时纤维具有良好的导电性。为揭示碳纳米管纤维的冲击防护性能，首先建立了微尺度高速冲击拉伸实验装置，发现随着拉伸速度的提高，纤维发生韧脆失效模式的转变，展现出显著的应变率强化效应。当应变率约1400 s^–1时，纤维的动态强度达到14 GPa，超过了其他高性能纤维（图2D-G）。进一步，建立了强激光诱导的高速横向冲击实验方法，揭示了微米直径纤维单丝在模拟弹道冲击加载下的动力学响应规律，发现由于冲击能量的快速非局域耗散而展现出优异的防护性能，纤维比能量耗散功率达到(8.7 ± 1.0) × 10¹³ m kg^–1 s^–1，远高于凯夫拉等传统防弹纤维（图2H和I）。上述结果表明碳纳米管纤维在冲击防护领域具有巨大的应用潜力。

图2 碳纳米管纤维的力学性能。（A）碳纳米管纤维在准静态加载下的应力-应变曲线；（B）碳纳米管纤维在准静态加载下的拉伸强度、杨氏模量和韧性；（C）不同纤维的比能量吸收和纵波波速对比；（D）碳纳米管纤维在高应变率加载下的应力-应变曲线；（E）不同应变率加载下碳纳米管纤维的拉伸强度；（F）碳纳米管纤维与其他纤维的动态强度对比；（G）不同应变率加载下碳纳米管纤维的动态韧性；（H）激光诱导高速横向冲击纤维的示意图；（I）不同纤维的比能量耗散功率

碳纳米管纤维管间作用、取向度、致密性的协同提升是纤维优异力学性能的关键。原位拉曼测试和分子动力学模拟结果表明，PBO与碳纳米管之间具有强相互作用，提高了碳纳米管的管间作用和应力传递（图3A和B）。粗粒化模拟结果表明，纤维在机械训练过程中，PBO的加入会降低纤维孔隙，提高致密度，减小应力集中（图3C）。在高速加载条件下，纤维中碳纳米管的断裂比例更高，纤维断裂模式从碳纳米管管间滑移转变为更多碳纳米管的协同断裂（图3D-G），从而赋予纤维优异的动态力学性能。

图3 碳纳米管纤维优异性能的机理分析。（A）碳纳米管纤维拉曼偏移与应变的关系；（B）碳纳米管纤维的应力松弛曲线；（C）纤维机械训练过程模拟快照；（D）碳纳米管纤维的结构模拟；（E）低、高加载速度下纤维的断裂过程；（F）低、高加载速度下纤维的应力-应变曲线；（G）纤维在拉伸过程中碳纳米管断裂的百分比

北京大学化学与分子工程学院博士后张馨时、中国科学院力学研究所博士后雷旭东、武汉大学博士研究生贾向正为论文的共同第一作者。该研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委、北京市科学技术委员会和北京分子科学国家研究中心等联合资助。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1082