作者:项长胜等 来源:《先进材料》 发布时间:2013-7-16 15:50:42
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氧化石墨烯片可“纺出”强韧碳纤维
 
近日,美国莱斯大学的研究人员用大块的氧化石墨烯薄片为基本原材料,“纺织”出了强韧的碳纤维,当承受拉力时,其打结处与纤维的其他部分一样不易被拉断,轻型飞机、防弹衣面料等都可以用这种碳纤维来制造以增加强度。该研究成果8日发表在《先进材料》杂志网络版上。
 
大部分纤维在受到拉力时,打结的地方极有可能出现断裂,但新型碳纤维的独特之处就在于结头也非常强韧,用研究人员的话说就是,展示出了“100%的结子效率”。“看到这一点非常奇怪,”莱斯大学化学家詹姆斯·图尔说,“结头和纤维的其他部分一样强韧,这种情况以前从未在碳纤维或者聚合物纤维上出现过。”
 
这要多亏莱斯大学几年前申请的一项专利:利用环境友好工艺制造具有独特性能的氧化石墨烯片。它们的平均直径为22微米,相当于人类发丝宽度的四分之一,但与目前用于制造碳纤维的石油基沥青微粒相比,却算得上庞然大物。“沥青微粒只有2纳米大小,我们的氧化石墨烯片要大上约1万倍。”研究论文的第一作者、莱斯大学研究生项长胜(音译)说。
 
与沥青微粒一样,这些石墨烯片靠弱的范德华力聚拢在一起;但不同的是,只有原子厚的石墨烯片拥有极大的表面积,被拉成纤维后,彼此依附排列,如同鱼身上的鳞片一样。项长胜说,结头处的强度取决于纤维的弯曲系数,“由于氧化石墨烯的弯曲系数非常低,好似结头根本不存在”。
 
图尔说,工业碳纤维这种强度类似钢的超轻材料应用范围十分广泛,从棒球棍到自行车再到轰炸机,不一而足,但几十年来其性能却没有多大改善,原因在于其中应用到的化学条件已经接近极限。而这种新型碳纤维是在室温条件下“纺织”而成的,并且表现出了令人惊叹的抗张强度和弯曲系数,在经过高温退火处理后有可能变得更强韧。
 
项长胜说,按照制造碳纤维的行业标准将新型纤维置于2100摄氏度的高温下煅烧,有可能会消除打结强度,但应该可以极大地提高材料的抗张强度,这对于制造新型复合材料非常适合。
 
该团队还用尺度更小的9微米氧化石墨烯薄片纺成了另一种纤维。由于制造工艺使薄片的排列更加优化,即使在室温条件下,所得到的纤维的强度也非常接近商业产品。(来源:新华网 陈丹)
 
 
 
 
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