纳米管材料性能已接近最强的合成纤维

图片: Mary Knox Merrill

广泛应用于防弹衣等领域中的高性能纤维在世界各地拥有着广阔的市场,但生产厂家却只有四种材料可供选择:Kevlar, Spectra,Dyneema和Zylon。由聚乙烯等制成的聚合物是迄今为止世界上最强的合成纤维。

美国东北大学的Marilyn Minus工程助理教授研制了一种纤维,这种纤维的强度要高于上述提到的前三种材料,甚至其第一代的性能已经非常接近第四种材料(Zylon)

在聚合物纤维中添加少量的碳纳米管(完全由碳制成的直筒圆柱状颗粒)可以轻微提高纤维的强度。但五年前,当Minus还是一名佐治亚理工研究生时,她就指出,只需要对碳纳米管施加一点点控制,她就可以将些许的提升变为巨大的改善。她在东北大学花了四年时间去证明她的想法。

在最近发表在Macromolecular Materials and Engineering的论文中,Minus提出了一种用于制造超强纤维的可调工艺过程,这种超强纤维的性能堪与业内最强的纤维相比。同以前的工作类似,Minus将碳纳米管添加到聚合物纤维中,但与仅仅作为简单的添加物不同,纳米管现在也起到了组织的作用。

在所谓的核化过程中,从碳黑粉末到金属粒子,有多种材料可以指导特殊晶体类型的成型。但在碳纳米管出现之前,Minus说:“我们从来没有这样一种与聚合物如此相似的成核材料”。这种相似性可以让纳米管像溜冰鞋一样,沿着聚合物长链滑动,使其彼此之间完全对齐。

结晶过程可以有助达到最近报道的卓越性能。在研究中Minus和她的同事们发现,他们可以很容易地关闭或打开这些特性。对成分相同的纤维,他们仅仅通过改变加热和冷却材料的模式就能够增加纤维的强度和韧度。目前,Minus和她的同事们已经研制出了一种特殊聚合物(聚乙烯醇)的配方和工艺。

在一项新的美国国防部高级研究项目局基金的资助下,Minus将会研制一种称作“polyacrylonitrle”或“PAN”的聚合物。这是用于制造碳纤维的主要材料,碳纤维是一种轻质复合材料,在波音787客机中广泛。借助Minus提出的方法可以获得更加有组织化的结构,这种材料可在目前已有的性能之上更上一层楼。

原文:Nanotube materials approach strongest synthetic fiber

翻译:诸鹏飞