图1. 超长碳纳米管管束的结构制备及力学性能。（a）利用气流聚焦法制备超长碳纳米管管束的示意图；（b）TiO2修饰后的碳纳米管管束光学显微镜照片；（c-e）碳纳米管管束的力学性质；（f）超长碳纳米管管束与其他材料拉伸强度对比图。

在国家自然科学基金重点项目（项目编号：21636005）等资助下，清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学航天航空学院李喜德教授团队合作，在超强碳纳米管纤维领域取得重要进展，首次制备出接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束。研究成果以“Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa（拉伸强度超过80GPa的碳纳米管管束）”为题，于2018年5月14日在Nature Nanotechnology（《自然· 纳米技术》）上发表。论文链接：https://www.nature.com /articles/s41565-018-0141-z。

碳纳米管是目前人类发现的最强的几种材料之一，其杨氏模量高达1 TPa以上，拉伸强度高达100 GPa以上，超过T1000碳纤维强度10倍以上。如何将一根根碳纳米管组装起来之后仍然保持其单根的优异力学性能是制备超强纤维必须首先解决的问题。目前已报道的碳纳米管纤维的强度只有0.5~8.8 GPa，远低于碳纳米管理论强度。

该研究团队通过采用原位气流聚焦的方法，可控制备了具有确定组成、结构完美且平行排列的厘米级连续超长碳纳米管管束。通过制备含有不同数量单元的超长碳纳米管管束，定量分析其组成和结构对超长碳纳米管管束力学性能的影响，建立了确定的物理/数学模型。研究发现，管束中碳纳米管的初始应力分布不均匀，使得管束中的碳纳米管无法同步均匀受力，进而导致了整体强度的下降，亦即“丹尼尔效应”。研究团队据此提出了一种“同步张弛”的策略，通过纳米操纵来释放管束中碳纳米管的初始应力，使其处于一个较窄的分布范围，进而可将碳纳米管管束的拉伸强度提高到80 GPa以上。

作者：张国俊 朱旺喜