合成高性能纤维具有优异的力学性能，在冲击防护领域具有广阔的应用前景。然而，由于高强度和高韧性纤维的内在冲突，制造高强度和高韧性纤维具有挑战性。本文中，我们报道了通过聚合少量(0.05 wt%)短胺化单壁碳纳米管(SWNTs)，杂环芳纶纤维的强度、韧性和模量分别提高了26%、66%和13%，拉伸强度为6.44±0.11 GPa，韧性为184.0±11.4 MJ m−3，杨氏模量为141.7±4.0 GPa。机理分析表明，短胺化单壁碳纳米管通过影响单壁碳纳米管周围杂环芳纶链的结构来提高结晶度和取向度，原位聚合增加了单壁碳纳米管之间的界面相互作用，促进应力传递，抑制应变局部化。这两种作用是强度和韧性同时提高的原因。
图文简介
复合纤维的制备及其性能，复合纤维的聚合和纺丝过程示意图。b HAFs和sa-SWNT-HAFs的应力-应变曲线。插图显示了HAFs和sa-SWNT-HAFs的数码照片。c HAFs与sa-SWNT-HAFs力学性能的径向对比图。d不同应变速率下HAFs与sa-SWNT-HAFs的抗拉强度比较。误差条表示抗拉强度的标准差。
单壁碳纳米管的结构设计与表征，sa-SWNTs的制作步骤示意图。b原始单壁碳纳米管的高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像。比例尺，50 nm。c原始单壁碳纳米管的扫描电镜(SEM)图像。标尺，10 μm。d sa- swcnts的SEM图像。标尺，10 μm。e不同swcnts的x射线光电子能谱(XPS)。蓝色条纹表示n1 s峰的位置。f sa-SWNTs的n1s XPS谱。g不同碳纳米管的拉曼光谱。
复合纤维的机械性能，a不同纤维抗拉强度和模量的比较。b不同纤维的断裂伸长率和韧性比较。c不同sa- swnt浓度下sa-SWNT-HAFs的拉伸强度和模量比较。d不同sa- swnt浓度下sa-SWNT-HAFs的断裂伸长率和韧性比较。所有误差条表示标准差。e商品高性能纤维与我们制备的纤维的比拉伸强度和断裂伸长率的比较。测量数据来源于复合丝的试验。f不同光纤的比耗能功率(SEDP)。图中三角符号的数据来源于文献。
sa-SWNT-HAF的增强机理，结晶区影响范围与杨氏模量增加之间的关系。b室温下sp2碳片对杂环芳纶链影响的质量密度分布和快照。c典型聚合物链在sp2碳片上的结合能。d HAFs、sc-SWNT-HAFs和sa-SWNT-HAFs在张力下的模拟快照。
论文信息
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38701-4
通讯作者：中科院Xianqian Wu，武汉大学Enlai Gao，北京大学Kun Jiao，北京大学张锦
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