碳纳米管薄膜多尺度聚集行为调控及弹道冲击吸能机理研究

Their unique structure endows carbon nanotubes (CNTs) with superb energy absorption capability, structural flexibility, as well as corrosion and flame resistance, thus makes CNTs an ideal material for flexible bulletproof application. To realize this application, one of the key issues is to fabricate CNT based macro-assemblies which can effectively inherit the extraordinary properties of individual CNTs. The recent progress in large scale manufacturing of continuous CNT films via the floating catalyst chemical vapor deposition (FCCVD) method makes this application possible. This project will study the effect of structure manipulation of the micro-assembly on the mechanical properties of the CCVD-grown CNT films, and investigate the energy absorption mechanism of these CNT films made using different interlayer macro-stacking strategies. Finite element analyses will be adopted to study the effect of assembling pattern and structural characteristics on the ballistic impact response of CNT films, and optimize the parameters of CNT alignment, packing density, film thickness and so forth. This project will provide guidance for the development and application of new soft body protection materials.

碳纳米管独特的结构赋予其优异的力学特性、结构柔韧性和阻燃特性，是实现弹道冲击吸能的理想基础材料。将单根碳纳米管组装成宏观材料体、并充分发挥碳纳米管自身优异的能量吸收特性，是实现碳纳米管在弹道冲击吸能中应用的关键。近年，大面积碳纳米管薄膜连续制备技术的突破为这一研究的深入奠定了良好基础。因此，本项目拟以具大变形调控能力的气相生长碳纳米管网络结构为前驱体，通过致密化、牵伸取向及复合结构构筑，系统研究网络结构中碳管聚集状态、组装密度及界面结合方式对其子弹冲击破坏和应力波传递效率的影响规律，从而揭示碳管微观结构调控对其弹道冲击能量吸收的强化机理。在此基础上，掌握高抗弹道冲击性能碳管薄膜的最佳优化参数和可控制备方法，为新型防弹吸能材料的制备应用理论提供指导依据。

碳纳米管拥有独特的一维中空无缝管状结构以及较高的长径比，赋予其优异的力学强度与抗高速冲击能力，是高吸能材料基本结构单元的理想选择之一。碳纳米管网络结构中，管间较弱的范德华力搭接为限制其能量吸收特性提升的关键科学问题。本项目通过在网络内部引入聚合物或者非牛顿流体并构建复合网络结构的方式，提升碳纳米管管间相互作用能力，以期构筑碳纳米管为基本结构单元的高吸能聚集体。通过研究三维网络结构状碳纳米管薄膜和碳纳米管泡沫及其复合材料的动态力学性能，从微观、宏观尺度上分析其吸能机制，主要研究内容包括：.1. 为研究连续碳纳米管薄膜及碳纳米管/聚乙烯醇（PVA）复合薄膜的吸能特性，我们建立了微弹道冲击的实验方法。通过实验得到的吸能值和比吸能值，以及微观结构的观察，分析碳纳米管薄膜网络结构的动态力学响应以及微尺度高速冲击下碳纳米管网络的吸能机制。碳纳米管薄膜的比吸能值可达1.52 MJ/kg，是聚合物薄膜的1倍、金属箔的3倍，具有碳纳米管与子弹的摩擦、碳纳米管网络的变形、碳纳米管管间滑移等丰富的能量耗散途径。PVA增强的复合薄膜吸能性能相较于原始薄膜提升了12%，可归因于PVA对碳纳米管管间作用力的提升。.2. 通过在碳纳米管泡沫中引入非牛顿流体的方法制备了碳纳米管/剪切增稠液复合结构，并利用分离式霍普金森压杆装置对其动态力学性能进行了相关研究。碳纳米管泡沫具有明显的应变率效应，在7200 s-1的应变率加载下，其单位体积的吸能值达到1.72 MJ/m3，复合剪切增稠液后的材料具有更明显的应变率效应，最大应力和吸能能力随着应变率的增大而增大，在7200 s-1的应变率加载下，其单位体积的吸能值达到9.48 MJ/m3，主要通过剪切增稠液的流体动力、剪切增稠液中粒子间的摩擦力、剪切增稠液与碳纳米管间的界面摩擦力以及碳纳米管本身的高能量吸收特性等来吸收能量。.3. 通过在碳纳米管泡沫中引入高弹聚合物的方法制备了碳纳米管/硅橡胶复合结构，并利用分离式霍普金森压杆装置对其动态力学性能进行了相关研究。该复合材料具有明显的应变率效应，最大应力和吸能能力随着应变率的增大而增大，在4000 s-1的应变率加载条件下，其单位体积的吸能值可达24.10 MJ/m3，主要通过橡胶高分子链的内摩擦、高分子链与碳纳米管的界面摩擦以及碳纳米管本身的高能量吸收特性来吸收能。