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白云祥:找到了制备超强超耐疲劳纤维的另一种方式

2024-06-06 13:46:28
来源:科技日报 作者:王延斌 评论:0

  对外行人来说,清华大学博士白云祥的课题有些“神奇”。专家们评价,该课题“相关工作揭示了超长碳纳米管用于制备超强、超耐疲劳纤维的光明前景,为发展新型超强纤维指明了方向和方法,也为基于碳纳米管的众多应用的寿命评估和设计提供了重要的理论参考”。如果将专家的解读翻译一下,那就是“找到了制备超强超耐疲劳纤维的另一种方式”。

  什么是超长碳纳米管?什么是超强、超耐疲劳纤维?我们可以从国际学术期刊《科学》上的一篇论文讲起。

  “神奇”的发现:被连续拉伸上亿次而不发生断裂

  碳纳米管是人类发现的强度和韧性最好的材料之一,单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍。然而,如何测量这种小尺寸材料的耐久性,长期以来却是个难题。

  2020年8月,《科学》上发表的一篇论文显示,清华大学化工系魏飞教授团队成功用一种声学共振方法对厘米级碳纳米管的耐久程度进行了测量。结果显示,单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂,并在去掉载荷后依然保持初始的超高抗拉强度。

  白云祥博士是魏飞教授团队中的一员大将。“在导师魏飞教授的带领下,我们搭建的声波共振测试系统实现了对单根超长碳纳米管耐疲劳性的测试,测得了碳纳米管的超耐疲劳特性,揭示了与传统材料不同的不存在渐进损伤累积的疲劳破坏机制,丰富了材料疲劳学科理论。”白云祥说。

  具体来说,他们在碳纳米管上修饰二氧化钛纳米颗粒,再通过数字信号控制的扬声器来发射低频声波,激发共振。改变这些颗粒的线密度,就可以控制共振频率。

  结果显示,碳纳米管展现出惊人的超耐疲劳特性。在大应变循环拉伸测试条件下,单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂,并在去掉载荷后依然保持初始的超高抗拉强度,耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。

  与碳纳米管打交道是魏飞教授团队的专长。从实验室到实际应用过程中,将碳纳米管组装成超强管束或者纤维非常重要,但面临挑战。

  一方面,碳纳米管的理论断裂强度超过100GPa(目前能实现工业化量产的典型碳纤维——T800型碳纤维的断裂强度为5GPa左右),如果碳纳米管管束或者纤维能发挥出理论强度的八成功力,比如达到80GPa,就足以超越现有的碳纤维10倍还多;但另一方面,只要将碳纳米管做成管束或者纤维,其机械性能就会急剧下降,完全不能与单根碳管相比。这些问题一直阻碍着碳纳米管在力学领域的实用化进程。

  “神奇”的阅历:从拉面中获得灵感制作出超强碳纳米管管束

  怎么样才能在看不见摸不着的情况下将一根根平行排列的碳纳米管并到一起形成管束?白云祥设想了很多种方案,并最终采用了一种叫作“原位气流聚焦”的方式成功实现了超长碳纳米管管束的制备。然而,测量了管束的力学性能以后,却发现力学性能随管束根数的增加呈现下降的趋势,这和想象中的结果大不一样。

  关键时刻,导师魏飞提供了思路。他以常见的跨海大桥悬索主缆为例。在平行钢丝拉索投入使用之前,需要通过调节保证每根钢丝受力相同,否则就会出现有的钢丝受力比其他钢丝大的情况;而一旦受力较大的钢丝断裂,它原本承担的力就会转嫁到其他钢丝身上,从而恶化平行钢丝拉索整体的力学性能。这在结构力学中被称为“丹尼尔斯效应”。

  魏飞老师认为这种丹尼尔斯效应可能同样存在于碳纳米管管束中。于是,白云祥决定采用类似的办法来处理碳纳米管束,即用类似拉面的手段对其进行“同步张弛”调整处理。

  在长时间的摸索之后,白云祥采用“同步张弛法”制备出了拉伸强度超越80GPa的碳纳米管管束,接近单根碳纳米管,证明了纳米材料“尺寸效应”可被有效避免。

  与白云祥“神奇”的课题类似,他的阅历也堪称“神奇”。

  2015年,白云祥从高分子材料与工程专业跨专业到化学工程与技术专业攻读博士。加入新环境本就十分陌生,况且完全没接触过纳米以及力学领域,他只能硬着头皮从啃英文文献做起。从对课题一头雾水,一步步成长,直至成为“专家”,发表论文,他付出了很多。

  “是什么在激励你?”“你眼中的科研世界是什么?”记者问,他答:充满了美感和乐趣的探险之旅。

  如今,获得了2023年度京博科技奖—化学化工与材料京博优秀博士奖银奖,他对以后有哪些规划?白云祥的回答不假思索:希望能为我国超强碳纳米管纤维材料领域的发展作出贡献。

  (受访者供图)

(责任编辑:韩梦晨)

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