中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究組在碳納米管宏觀薄膜及纖維結構的制備與性能研究方面取得系列進展。該研究組解思深院士指導的博士生馬文君等人關于碳納米管宏觀結構中的微觀力學過程的研究結果發表在Advanced Materials (2009, 21, 603-608）上，被選為該期內封面文章；關于連續碳納米管網絡增強復合材料的研究結果發表在Nano. Lett. (2009, 9, 2855-2861) 上，并被Nature China網站以Composites: True strength lies within為標題作為Research Highlights進行報道。
碳納米管是由單層或多層石墨片層卷曲而成的典型一維納米材料，其力學性質及可能的應用一直廣受研究者關注。目前已經證實，單壁碳納米管的軸向力學性質接近完美石墨片層的理論值，是已知材料中最高的，利用碳納米管作為增強材料制備聚合物復合材料可能具有非常優異的力學性質。在這樣誘人前景的鼓舞下，近年來很多研究人員進行了大量的工作，但取得的進展卻遠低于預期目標，碳納米管真正的潛力并沒有在宏觀尺度的材料中得到應有的體現。
針對碳納米管宏觀結構與碳納米管增強復合材料研究中的難題，物理所該研究組進行了長期而深入的研究。他們在國際上最早制備出了宏觀長度的碳納米管陣列（Nature, 1998, 194, 631），并對其進行了力學性質測量；近年來與國家納米科學中心張忠研究員小組合作，通過原位拉曼光譜的測量，首次詳細闡述了宏觀碳納米管結構受力時的微觀力學過程，并可通過光譜學信息預測出宏觀碳納米管薄膜及纖維的力學性質，在宏觀碳納米管結構的力學性質研究及應用方面取得了突破性的成果(Advanced Materials, 2009, 21, 603)。在這些工作的基礎上，通過與國家納米科學中心張忠研究員小組、中科院力學研究所、中國航空工業集團公司北京航空材料研究院等單位合作，在廣泛調研與分析后得出結論：針對納米尺度碳納米管新型增強體，需要設計結構新穎的力承載與傳遞結構單元。為此，獲得高性能的碳納米管增強復合材料的關鍵是提高碳管含量、增大界面強度、使碳管在基體中能夠定向且盡量伸直。直接將碳納米管分散到聚合物基體中雖然簡單易行，但并不適合碳納米管這種納米尺度的新型增強材料，需要用新思路發展不同于傳統復合材料工藝的新方法。他們利用CVD方法預先制備出宏觀尺度連續的碳納米管網絡（Nano. Lett. 2007, 7, 2307），構成連續的應力傳遞載體，再將高聚物分子填充入納米尺度的碳納米管網絡之中，使碳納米管與高聚物分子在分子尺度發生耦合構成共穿網絡。通過這種方法制備出的新型復合材料，碳納米管的體積含量可達30%~50%，突破了傳統制備方法中5%體積含量的極限。其力學強度可達1.6 GPa，高于同等體積含量的碳纖維增強復合條帶。與采用離散碳納米管增強的復合材料相比，這種新型復合材料的強度有了數量級的增加。
他們在針對這種新型復合材料的微觀力學過程的研究中還發現，在聚合物分子鏈段與碳納米管管束間相互耦合作用下，復合材料宏觀應變傳遞到碳納米管軸向應變的傳遞效率是常規方法制備的離散碳管增強復合材料的數倍，并且耦合方式會因所采用的聚合物分子結構不同而不同。傳統復合材料領域內所使用的混合定則不能夠描述這種分子尺度的耦合現象。基于這一發現，他們創新性地將應變傳遞因子引入到通用的混合定則當中，提出了適用于碳納米管增強復合材料的改進后的混合定則，用以描述納米尺度增強體與聚合物基在分子尺度的耦合對復合材料宏觀力學性能的影響。該研究成果(Nano. Lett. 2009, 9, 2855-2861)不僅解決了制備及改善碳納米管增強復合材料的一個難題，對其它納米復合材料的研究也有著一定的借鑒作用。
該工作在完成后得到了本領域內的廣泛關注與好評。審稿人認為，“該研究所討論的問題在突破碳納米管增強纖維5%含量壁壘方面具有高度重要性”。在2009年12月由科技部基礎研究管理中心組織專家進行的“2009年度中國基礎研究十大新聞”的初評工作中，經過專家組對近200項推薦新聞的評選，關于連續碳納米管網絡增強復合材料力學性能的研究成果進入了本年度評選的30項候選新聞。
相關工作得到中國科學院、國家自然科學基金委和科技部項目的資助。
碳納米管是由單層或多層石墨片層卷曲而成的典型一維納米材料，其力學性質及可能的應用一直廣受研究者關注。目前已經證實，單壁碳納米管的軸向力學性質接近完美石墨片層的理論值，是已知材料中最高的，利用碳納米管作為增強材料制備聚合物復合材料可能具有非常優異的力學性質。在這樣誘人前景的鼓舞下，近年來很多研究人員進行了大量的工作，但取得的進展卻遠低于預期目標，碳納米管真正的潛力并沒有在宏觀尺度的材料中得到應有的體現。
針對碳納米管宏觀結構與碳納米管增強復合材料研究中的難題，物理所該研究組進行了長期而深入的研究。他們在國際上最早制備出了宏觀長度的碳納米管陣列（Nature, 1998, 194, 631），并對其進行了力學性質測量；近年來與國家納米科學中心張忠研究員小組合作，通過原位拉曼光譜的測量，首次詳細闡述了宏觀碳納米管結構受力時的微觀力學過程，并可通過光譜學信息預測出宏觀碳納米管薄膜及纖維的力學性質，在宏觀碳納米管結構的力學性質研究及應用方面取得了突破性的成果(Advanced Materials, 2009, 21, 603)。在這些工作的基礎上，通過與國家納米科學中心張忠研究員小組、中科院力學研究所、中國航空工業集團公司北京航空材料研究院等單位合作，在廣泛調研與分析后得出結論：針對納米尺度碳納米管新型增強體，需要設計結構新穎的力承載與傳遞結構單元。為此，獲得高性能的碳納米管增強復合材料的關鍵是提高碳管含量、增大界面強度、使碳管在基體中能夠定向且盡量伸直。直接將碳納米管分散到聚合物基體中雖然簡單易行，但并不適合碳納米管這種納米尺度的新型增強材料，需要用新思路發展不同于傳統復合材料工藝的新方法。他們利用CVD方法預先制備出宏觀尺度連續的碳納米管網絡（Nano. Lett. 2007, 7, 2307），構成連續的應力傳遞載體，再將高聚物分子填充入納米尺度的碳納米管網絡之中，使碳納米管與高聚物分子在分子尺度發生耦合構成共穿網絡。通過這種方法制備出的新型復合材料，碳納米管的體積含量可達30%~50%，突破了傳統制備方法中5%體積含量的極限。其力學強度可達1.6 GPa，高于同等體積含量的碳纖維增強復合條帶。與采用離散碳納米管增強的復合材料相比，這種新型復合材料的強度有了數量級的增加。
他們在針對這種新型復合材料的微觀力學過程的研究中還發現，在聚合物分子鏈段與碳納米管管束間相互耦合作用下，復合材料宏觀應變傳遞到碳納米管軸向應變的傳遞效率是常規方法制備的離散碳管增強復合材料的數倍，并且耦合方式會因所采用的聚合物分子結構不同而不同。傳統復合材料領域內所使用的混合定則不能夠描述這種分子尺度的耦合現象。基于這一發現，他們創新性地將應變傳遞因子引入到通用的混合定則當中，提出了適用于碳納米管增強復合材料的改進后的混合定則，用以描述納米尺度增強體與聚合物基在分子尺度的耦合對復合材料宏觀力學性能的影響。該研究成果(Nano. Lett. 2009, 9, 2855-2861)不僅解決了制備及改善碳納米管增強復合材料的一個難題，對其它納米復合材料的研究也有著一定的借鑒作用。
該工作在完成后得到了本領域內的廣泛關注與好評。審稿人認為，“該研究所討論的問題在突破碳納米管增強纖維5%含量壁壘方面具有高度重要性”。在2009年12月由科技部基礎研究管理中心組織專家進行的“2009年度中國基礎研究十大新聞”的初評工作中，經過專家組對近200項推薦新聞的評選，關于連續碳納米管網絡增強復合材料力學性能的研究成果進入了本年度評選的30項候選新聞。
相關工作得到中國科學院、國家自然科學基金委和科技部項目的資助。
