随着科技和材料的发展,人类对高强度材料的需求日益增长,用于高新技术、航空航天、国防军工等领域。为此,世界范围内对高强度纤维材料的研发一直在持续推进。文章通过介绍超长碳纳米管、高强度不锈钢等前沿研究成果,分析了高强度材料实现80GPa以上强度水平的科学机理,探讨了材料强度提升的技术路径,展望了高强度纤维材料研发的新方向。
超长碳纳米管的强度水平已达80GPa以上
清华大学团队利用气流聚焦方法成功制备出超长碳纳米管管束,实现了高度排列有序、长度可达厘米级的碳纳米管结构。这种超长碳纳米管管束的拉伸强度可达80GPa以上,已接近理论极限,是目前所有已知纤维材料中强度最高的。研究还发现初始应力差异会降低强度,通过“同步张弛”策略来释放管束中的应力可以使强度进一步提高。
钢铁研究总院成功研制出2.2GPa级高强度不锈钢
为打破强度与韧性之间的相互制约关系,钢铁研究总院提出了多维复合强韧化理论,即在高密度位错的马氏体基体中引入多种纳米级第二相颗粒实现复合强化。通过梯度温差保温的双重时效热处理获得理想的微观组织,成功研制出强度达2.2GPa、塑性和断裂韧性同步提高的高强度不锈钢,填补了国内空白。
超高模量碳纤维的抗拉强度可达600MPa
碳纤维的抗拉强度取决于纤维自身材料特性、纤维取向方式、纤维与树脂的比例等多种因素。超高模量碳纤维抗拉强度可达600MPa,是标准模量的3倍,与钢和铝相比也具备出色的强度和抗疲劳性能。当强度和刚度是首要考量时,碳纤维复合材料的确是最佳选择。
综上所述,纳米碳管、高强度钢和碳纤维等前沿材料的成功研发,使高强度纤维材料的性能指标已突破80GPa大关。多相复合强化、基体微观结构调控是实现更高强度的关键技术手段。这为航天、国防等高技术领域提供了有力支撑。
