Ultra‐High Toughness Fibers Using Controlled Disorder of Assembled Aramid Nanofibers

材料科学 芳纶 纳米纤维 极限抗拉强度 韧性 复合材料 纺纱 模数 纳米尺度 制作 热稳定性 纳米技术 纤维 化学工程 医学 替代医学 病理 工程类
作者
Hyun-Chan Kim,Henry A. Sodano
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (4) 被引量:12
标识
DOI:10.1002/adfm.202208661
摘要

Abstract Assembling nanoscale building blocks with reduced defects has emerged as a promising approach to exploit nanomaterials in the fabrication of simultaneously strong and tough architectures at larger scales. Aramid nanofibers (ANFs), a type of organic nanobuilding block, have been spotlighted due to their superior mechanical properties and thermal stability. However, no breakthrough research has been conducted on the high mechanical properties of a structure composed of ANFs. Here, assembling ANFs into macroscale fiber using a simultaneous protonation and wet‐spinning process is studied to reduce defects and control disorder. The ANF‐assembled fibers consist of hierarchically aligned nanofibers that behave as a defective law structure, making it possible to reach a Young's modulus of 53.15 ± 8.98 GPa, a tensile strength of 1,353.64 ± 92.98 MPa, and toughness of 128.66 ± 14.13 MJ m −3 . Compared to commercial aramid fibers, the fibers exhibit ≈1.6 times greater toughness while also providing specific energy to break as 93 J g −1 . Furthermore, this shows recyclability of the ANF assembly by retaining ≈94% of the initial mechanical properties. This study demonstrates a facile process to produce high stiffness and strength fibers composed of ANFs that possess significantly greater toughness than commercial synthetic fibers.
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