Suuri läpimurto erittäin vahvojen hiilinanoputkikuitujen tutkimuksessa Kiinassa
Äskettäin Tsinghuan yliopiston kemiantekniikan laitoksen professori Wei Fein tiimi teki yhteistyötä Tsinghuan yliopiston ilmailu- ja astronautiikkakoulun professori Li Xiden kanssa tehdäkseen suuren läpimurron superpitkien hiilinanoputkikuitujen alalla. Ensimmäistä kertaa maailmassa raportoitiin, että yksittäisten hiilinanoputkien teoreettinen lujuus oli erittäin pitkä. Hiilinanoputkinipujen vetolujuus ylittää kaikki muut tällä hetkellä löydetyt kuitumateriaalit.
Hiilinanoputkia pidetään yhtenä tehokkaimmista tällä hetkellä löydetyistä materiaaleista, joiden vetolujuus on yli 100 GPa ja yli 10 hiilikuituvahvuutta. Kuitenkin, kun yksittäisestä hiilinanoputkesta, jolla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, valmistetaan makroskooppinen materiaali, sen suorituskyky on usein paljon teoreettisen arvon alapuolella. Sitä vastoin ultrapitkien hiilinanoputkien pituus on senttimetrejä tai jopa desimetrejä ja niillä on täydellinen rakenne, tasainen suuntaus ja mekaaniset ominaisuudet lähellä teoreettista rajaa, ja niillä on suuria etuja supervahvojen kuitujen valmistuksessa.
In situ kaasuvirtauksen fokusointimenetelmillä tutkimusryhmä pystyy ohjaamaan sentimetrisen jatkuvan superpitkän hiilinanoputkiputken valmistusta, jossa on määrätty koostumus, täydellinen rakenne ja yhdensuuntainen järjestely ja vältetään taitavasti rajoittava tekijä. Valmistelemalla nippuja ultrapitkistä hiilinanoputkista, jotka sisältävät eri määrän yksiköitä ja analysoimalla kvantitatiivisesti niiden koostumuksen vaikutuksia ultrapitkien hiilinanoputkien nippujen mekaanisiin ominaisuuksiin, muodostettiin vakiintuneita fysikaalisia/matemaattisia malleja.
Tutkimuksessa havaittiin, että putkinipussa olevien hiilinanoputkien alkujännitysjakauma ei ole tasainen, joten putkinipussa oleviin hiilinanoputkiin ei voi kohdistua samanaikaisia ja tasaisia voimia, mikä puolestaan johtaa kokonaislujuuden laskuun. eli "Daniel-efekti". Tämän perusteella tutkimusryhmä ehdotti ”synkronista rentoutumista” -strategiaa, joka vapauttaa putkikimpun hiilinanoputkien alkujännityksen nanomanipulaatiolla siten, että se on kapealla jakautumisalueella ja siten hiilinanoputken säteen vetolujuuden. Nostettu yli 80 GPa:iin, lähellä yksittäisten hiilinanoputkien vetolujuutta.
Tämä työ paljastaa valoisat näkymät ultrapitkien hiilinanoputkien käyttämiselle superkuitujen valmistuksessa ja samalla osoittaa suunnat ja menetelmät uusien superkuitujen kehittämiseen.