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2025-07-27 0
1成果简介
碳纳米管(CNTs)是制造新型高性能纤维的基本结构单元候选材料之一。然而,碳纳米管纤维(CNTFs)的力学性能远低于单根碳纳米管。本文,苏州大学张岩 教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所胡东梅研究员、Zhengqiang Lv等在《Carbon》期刊发表名为“Construction of carbon nanotube/graphene composite fibers with excellent dynamic mechanical properties”的论文,研究开发了一种可控合成碳纳米管/石墨烯复合纤维(G/CNTFs)的合成路线。
通过浸渍和辅助拉伸处理,利用石墨烯/氯磺酸(G/CSA)分散液制备了致密且高度取向的石墨烯/碳纳米管复合纤维(G/CNTFs),其具有高强度和高能量吸收能力。小直径高品质石墨烯可将碳纳米管(CNT)管束相互交联,在纤维断裂时阻止裂纹扩展,并赋予纤维在高应变率下高强度(3.05 GPa)和高能量吸收能力(109.6 MJ m-3)。G/CNTFs的柔韧性,结合石墨烯桥接CNT束的高强度、能量吸收能力和导电性(2.14×10⁶ S/m),使其成为智能纺织品和抗冲击纺织材料的有力候选材料。
2图文导读
图1. (a) Preparation process diagram of G/CNTFs. (b) Schematic diagram of the mini-SHTB experiment.
图2. (a) SEM image of the surface of Pristine. (b, c) SEM image of the cross-sections of Pristine. (d) SEM image of the surface of C/CNTFs. (e, f) SEM image of the cross-sections of C/CNTF. (g) SEM image showing the surface of G/CNTFs. (h, i) SEM image of the cross-sections of G/CNTF. (j) Raman spectra of Pristine, C60-50 and G60-50 recorded when fibers are parallel (∥) or perpendicular (⊥) to the polarization direction of the laser beam. (k) Raman spectrum of Pristine, C60-50 and G60-50. (l) TGA curves of Pristine, C60-50 and G60-50.
图3. Basic physical parameters of G/CNTFs.
图4. (a) Stress-strain curve of G60-50 with varying graphene sizes. (b) Tensile strength of G60-50 with varying graphene sizes. (c) Stress-strain curve of G60-50 after treatment with different concentrations of G/CSA. (d) Tensile strength of G60-50 after treatment with different concentrations of G/CSA.
图5. (a) Stress-strain curve of G/CNTFs and Pristine at 60s acid treatment. (b) Tensile strength and modulus of G/CNTFs and Pristine at 60s acid treatment. (c) Stress-strain curve of G/CNTFs and Pristine at 50% stretch. (d) Tensile strength and modulus of G/CNTFs and Pristine at 50% stretch.
图6. (a) Representative original waveform. (b) Stress strain curves of Pristine and G/CNTFs at different strain rates . (c) Tensile strength and energy absorption at 847 s-1. (d) Tensile strength and energy absorption at 1176 s-1. (e) Tensile strength and energy absorption at 1670 s-1. (f) Tensile strength and energy absorption at 2044 s-1.
图7、(a-d) The damage images of Pristine at different strain rates. (e-h) The damage images of G60-50 at different strain rates. (i) The tensile fracture mechanism of two different fibers. (j) Comparison of dynamic tensile properties of G/CNTFs with various fibers reported in existing literature.
图8、(a) Conductivity of Pristine and G/CNTFs. (b) Thermal conductivity of G/CNTFs. (c) Infrared thermography of G/CNTFs at 4 V. (d) Plain fabrics woven using G/CNTFs. (e) Electromagnetic shielding value of fabric.
3小结
本研究提出了一种制备G/CNTFs的简便方法,该方法通过将碳纳米管(CNTs)浸泡在G/CSA分散液中并进行湿拉伸处理来实现。将小尺寸高品质石墨烯引入CNTFs中,并利用石墨烯交联的CNT束结构,在束间提高载荷传递效率的同时,抑制纤维断裂时的裂纹扩展,从而提升CNTFs的力学性能。采用SHTB技术测量了复合纤维在应变率范围为0.0016至2044 s-1时的动态拉伸力学性能。结果表明,经过上述制备处理及石墨烯的交联作用后,G/CNTFs具备了高强度(3.05 GPa)、高能量吸收值(109.6 MJ m-3)及高导电性(2.14×106 S/m)。此外,G/CNTFs还可编织成平纹织物,具有超高的柔韧性和优异的电磁屏蔽性能,在抗冲击纺织材料领域具有广阔的应用前景。
文献:
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120632
来源:材料分析与应用
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