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中国新材料获突破强度是钢60倍 或助大飞机弯道

时间:2018-05-21 16:02:32    作者:admin    来源:未知

据《科技日报》16日报道,清华大学两个团队合作,在超级强度材料上获得重大突破:在世界上首次制备了接近单根碳纳米管理论强度的1厘米超长碳纳米管管束,其拉伸强度超越已知所有其他纤维材料,拉伸强度提高到80GPa以上。

  碳纳米管被认为是目前发现的最强的几种材料之一,被认为是制作太空电梯的理想材料。然而这种高强度材料,只在微观的尺度,例如纳米级别才显示出超强度的特性,然而在可见的宏观尺度,这种碳纳米材料就会性能迅速下降,因为旧有的制备技术形成的碳纳米管有缺陷,很容易在拉力作用下易从缺陷处断裂并极易相互滑移。

  但是清华大学两个两个团队合作采用气流聚焦法,制备出了具有确定组成、结构完美且平行排列的厘米级连续超长碳纳米管管束,然后另辟蹊径,将管束的拉伸强度提高到80GPa以上,接近单根碳纳米管的拉伸强度,并证明随碳纳米管根数增加,强度可以保持。

  80GPa是拉伸强度的单位,可能单纯的数字并不能显示其威力。那么我们可以列举一些当前的材料来进行对比。例如目前市场上强度最好的碳纤维日本东丽公司的T1000,其拉伸强度是多少呢?只有7.02GPa,该公司研制的实验室中的最先进碳纤维也只有9GPa。一些超级汽车钢、超高强度钢板的拉伸强度也就是1.5-2GPa。我国的超长碳纳米管强度是目前材料的10-60倍。

  复合材料应用于大飞机、大火箭领域已经是当前的潮流,其原因就在于碳纤维等复合材料重量很轻但强度却非常大,这就意味这这些航空航天装备在降低空重的同时,还具有更好的力学性能。这对于航空航天武器提高有效载荷具有决定性意义。而超长碳纳米管管束是现有最先进复合材料的10倍,就意味着性能会有颠覆性提升。中国研制的C-919大飞机、长征九号重型运载火箭性能就可能实现弯道超车。

 

  此外,这些这些结构完美的碳纳米管还展示出了惊人的拉伸-复原的可逆性以及疲劳寿命,因此在机械能存储上具有极大的优势,其能量密度密还是功率密度,碳纳米管都远远超过了其他储能材料或设备。碳纳米管储存机械能的能量密度是飞轮储能密度的3倍,是锂离子电池储能密度的5-8倍,超过一般金属弹簧储能密度的25000倍。可以应用在电磁弹射、电磁炮、激光炮等能量武器上。

  除了超高强度和超高储能,碳纳米管还具有独特的电学性质。碳纳米管电子器件具有尺寸小度快、功耗低等优势。在制造晶体管、存储器、逻辑电路、传感器等器件方而展示出了巨大的优势。事实上在2017年IBM就公开了碳纳米管生产技术,可令运算速度提升一千倍。北京大学电子系教授彭练矛带领团队成功使用新材料碳纳米管制造出芯片的核心元器件——晶体管,其工作速度3倍于英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管。可以说中国两所大学研究人员对碳纳米管的研究,也为中国芯片发展指出了另一个方向。

  材料科学是基础性科学,中国在很多核心技术方面存在短板,归根结底和材料科学研究不到位有很大关系。相反,只有加大在基础科研领域的投入,才能让中国实现真正的后发超越。越是我国可能被封锁、禁运、制裁、卡脖子的时候,我们越是应该注重基础科学的投入,只有这样才是打破封锁的唯一有力武器。

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