Une avancée majeure dans la recherche sur les fibres de nanotubes de carbone ultra-résistantes en Chine
Récemment, l'équipe du professeur Wei Fei du département de génie chimique de l'université Tsinghua s'est associée au professeur Li Xide de l'école d'aéronautique et d'astronautique de l'université Tsinghua pour réaliser une percée majeure dans le domaine des fibres de nanotubes de carbone ultra-longues. Il a été signalé pour la première fois au monde que la résistance théorique des nanotubes de carbone individuels était extrêmement longue. Les faisceaux de nanotubes de carbone ont une résistance à la traction qui dépasse celle de tous les autres matériaux fibreux actuellement trouvés.
Les nanotubes de carbone sont considérés comme l’un des matériaux les plus puissants actuellement découverts, avec des résistances à la traction supérieures à 100 GPa et supérieures à 10 fois celles des fibres de carbone. Cependant, lorsqu’un seul nanotube de carbone doté d’excellentes propriétés mécaniques est transformé en un matériau macroscopique, ses performances sont souvent bien inférieures à la valeur théorique. En revanche, les nanotubes de carbone ultra-longs ont des dimensions de plusieurs centimètres voire décimètres et présentent une structure parfaite, avec une orientation uniforme et des propriétés mécaniques proches de la limite théorique, et présentent de grands avantages dans la préparation de fibres ultra-résistantes.
En utilisant des méthodes de focalisation du flux de gaz in situ, l'équipe de recherche peut contrôler la préparation d'un tube de nanotube de carbone super long continu d'un centimètre avec une composition définie, une structure parfaite et une disposition parallèle, et évite habilement le facteur limitant. En préparant des faisceaux de nanotubes de carbone ultra-longs contenant différents nombres d'unités et en analysant quantitativement les effets de leur composition sur les propriétés mécaniques des faisceaux de nanotubes de carbone ultra-longs, des modèles physiques/mathématiques établis ont été établis.
L'étude a révélé que la distribution initiale des contraintes des nanotubes de carbone dans le faisceau de tubes n'est pas uniforme, de sorte que les nanotubes de carbone dans le faisceau de tubes ne peuvent pas être soumis à des forces simultanées et uniformes, ce qui conduit à son tour à une diminution de la résistance globale, c'est-à-dire « l'effet Daniel ». Sur cette base, l’équipe de recherche a proposé une stratégie de « relaxation synchrone », qui libère la contrainte initiale des nanotubes de carbone dans le faisceau de tubes par nanomanipulation, de sorte qu’elle se situe dans une plage de distribution étroite, et donc la résistance à la traction du faisceau de nanotubes de carbone. Élevé à plus de 80 GPa, proche de la résistance à la traction des nanotubes de carbone simples.
Ce travail révèle les perspectives prometteuses de l'utilisation de nanotubes de carbone ultra-longs pour la fabrication de superfibres, et indique en même temps les directions et les méthodes de développement de nouvelles superfibres.