Carbon Nanotube‐Directed 7 GPa Heterocyclic Aramid Fiber and Its Application in Artificial Muscles

材料科学 碳纳米管 芳纶 复合材料 极限抗拉强度 人工肌肉 聚合物 微观结构 纺纱 纤维 分散剂 色散(光学) 纳米技术 执行机构 物理 光学 电气工程 工程类
作者
Dan Yan,Jiajun Luo,Shijun Wang,Xiaocang Han,Xudong Lei,Kun Jiao,Xianqian Wu,Qian Liu,Xinshi Zhang,Xiaoxu Zhao,Jiangtao Di,Zhong Zhang,Zhenfei Gao,Jin Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (22): e2306129-e2306129 被引量:58
标识
DOI:10.1002/adma.202306129
摘要

Poly(p-phenylene-benzimidazole-terephthalamide) (PBIA) fibers with excellent mechanical properties are widely used in fields that require impact-resistant materials such as ballistic protection and aerospace. The introduction of heterocycles in polymer chains increases their flexibility and makes it easier to optimize the fiber structure. However, the inadequate orientation of polymer chains is one of the main reasons for the large difference between the measured and theoretical mechanical properties of PBIA fibers. Herein, carbon nanotubes (CNTs) are selected as an orientation seed. Their structural features allow CNTs to orient during the spinning process, which can induce an orderly arrangement of polymers and improve the orientation of the fiber microstructure. To ensure the complete 1D topology of long CNTs (≈10 µm), PBIA is used as an efficient dispersant to overcome dispersion challenges. The p-CNT/PBIA fibers (10 µm single-walled carbon nanotube 0.025 wt%) exhibit an increase of 22% in tensile strength and 23% in elongation, with a maximum tensile strength of 7.01 ± 0.31 GPa and a reinforcement efficiency of 893.6. The artificial muscle fabricated using CNT/PBIA fibers exhibits a 34.8% contraction and a 25% lifting of a 2 kg dumbbell, providing a promising paradigm for high-performance organic fibers as high-load smart actuators.
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