中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究组在碳纳米管宏观薄膜及纤维结构的制备与性能研究方面取得系列进展。该研究组解思深院士指导的博士生马文君等人关于碳纳米管宏观结构中的微观力学过程的研究结果发表在Advanced Materials (2009, 21, 603-608）上，被选为该期内封面文章；关于连续碳纳米管网络增强复合材料的研究结果发表在Nano. Lett. (2009, 9, 2855-2861) 上，并被Nature China网站以Composites: True strength lies within为标题作为Research Highlights进行报道。

    碳纳米管是由单层或多层石墨片层卷曲而成的典型一维纳米材料，其力学性质及可能的应用一直广受研究者关注。目前已经证实，单壁碳纳米管的轴向力学性质接近完美石墨片层的理论值，是已知材料中最高的，利用碳纳米管作为增强材料制备聚合物复合材料可能具有非常优异的力学性质。在这样诱人前景的鼓舞下，近年来很多研究人员进行了大量的工作，但取得的进展却远低于预期目标，碳纳米管真正的潜力并没有在宏观尺度的材料中得到应有的体现。

    针对碳纳米管宏观结构与碳纳米管增强复合材料研究中的难题，物理所该研究组进行了长期而深入的研究。他们在国际上最早制备出了宏观长度的碳纳米管阵列（Nature, 1998, 194, 631），并对其进行了力学性质测量；近年来与国家纳米科学中心张忠研究员小组合作，通过原位拉曼光谱的测量，首次详细阐述了宏观碳纳米管结构受力时的微观力学过程，并可通过光谱学信息预测出宏观碳纳米管薄膜及纤维的力学性质，在宏观碳纳米管结构的力学性质研究及应用方面取得了突破性的成果(Advanced Materials, 2009, 21, 603)。在这些工作的基础上，通过与国家纳米科学中心张忠研究员小组、中科院力学研究所、中国航空工业集团公司北京航空材料研究院等单位合作，在广泛调研与分析后得出结论：针对纳米尺度碳纳米管新型增强体，需要设计结构新颖的力承载与传递结构单元。为此，获得高性能的碳纳米管增强复合材料的关键是提高碳管含量、增大界面强度、使碳管在基体中能够定向且尽量伸直。直接将碳纳米管分散到聚合物基体中虽然简单易行，但并不适合碳纳米管这种纳米尺度的新型增强材料，需要用新思路发展不同于传统复合材料工艺的新方法。他们利用CVD方法预先制备出宏观尺度连续的碳纳米管网络（Nano. Lett. 2007, 7, 2307），构成连续的应力传递载体，再将高聚物分子填充入纳米尺度的碳纳米管网络之中，使碳纳米管与高聚物分子在分子尺度发生耦合构成共穿网络。通过这种方法制备出的新型复合材料，碳纳米管的体积含量可达30%~50%，突破了传统制备方法中5%体积含量的极限。其力学强度可达1.6 GPa，高于同等体积含量的碳纤维增强复合条带。与采用离散碳纳米管增强的复合材料相比，这种新型复合材料的强度有了数量级的增加。

    他们在针对这种新型复合材料的微观力学过程的研究中还发现，在聚合物分子链段与碳纳米管管束间相互耦合作用下，复合材料宏观应变传递到碳纳米管轴向应变的传递效率是常规方法制备的离散碳管增强复合材料的数倍，并且耦合方式会因所采用的聚合物分子结构不同而不同。传统复合材料领域内所使用的混合定则不能够描述这种分子尺度的耦合现象。基于这一发现，他们创新性地将应变传递因子引入到通用的混合定则当中，提出了适用于碳纳米管增强复合材料的改进后的混合定则，用以描述纳米尺度增强体与聚合物基在分子尺度的耦合对复合材料宏观力学性能的影响。该研究成果(Nano. Lett. 2009, 9, 2855-2861)不仅解决了制备及改善碳纳米管增强复合材料的一个难题，对其它纳米复合材料的研究也有着一定的借鉴作用。

    该工作在完成后得到了本领域内的广泛关注与好评。审稿人认为，“该研究所讨论的问题在突破碳纳米管增强纤维5%含量壁垒方面具有高度重要性”。在2009年12月由科技部基础研究管理中心组织专家进行的“2009年度中国基础研究十大新闻”的初评工作中，经过专家组对近200项推荐新闻的评选，关于连续碳纳米管网络增强复合材料力学性能的研究成果进入了本年度评选的30项候选新闻。

    相关工作得到中国科学院、国家自然科学基金委和科技部项目的资助。


图1.宏观碳纳米管薄膜及纤维的微观结构与力学性质。a）宏观碳纳米管薄膜及纤维的微观结构。b）宏观碳纳米管薄膜及纤维的拉伸曲线。c）宏观碳纳米管薄膜及纤维在应力下的拉曼光谱。

图2.新型碳纳米管增强复合材料的结构及碳纳米管网络与高分子之间的耦合。

图3.a）碳纳米管复合纤维的拉伸曲线。b）高聚物基体、碳纳米管宏观结构及复合纤维的力学性质汇总。