最近，萊斯大學的研究人員模擬分析碳纖維的缺陷所在，發現在合成碳纖維過程中，聚合物鏈易于偏移且形成的D樣式環可能是產生缺陷的地方，從而影響碳纖維強度。如何改善其缺陷是當前的問題，詳情請看下文。

    據萊斯大學科學家介紹，數十年來材料制造業的支柱力量--碳纖維，并沒有達到其理想的應用狀態，但也有改進的方法。

    研究人員發現，在加工過程中，構成同一個碳纖維的聚合物鏈易于偏移形成缺陷，而缺陷就像一個有缺口的拉鏈，會削弱產品的性能。

    萊斯大學實驗室的理論物理學家Boris Yakobson著手分析這些被忽視的缺陷，并提出如何簡化這些缺陷的辦法。實驗室的研究結果于本月在Advanced Materials期刊上發表。

    早在19世紀的時候，就制備出了碳纖維，那時Thomas Edison把它作為燈泡絲。但是由于嚴重的工業發展使得它就此止步，直到50年代末才真正出現。它們牢固、靈活、導電、耐熱、穩定，現已用于網球拍、自行車架和飛機以及其它多種產品。而且，它們也可以紡織紗線，用于紡織輕盈牢固的纖維織物。

    Evgeni Penev是Yakobson實驗室的研究員同時也是論文的共同作者。他說：“盡管技術很完善且成熟，但在新興的低維納米碳領域要想充分利用并獲益于不斷完善的理論發展，碳纖維領域卻很大程度上處于惰性狀態。”

    萊斯大學的團隊構建計算機模型，以推斷出在廣泛的碳纖維生產過程發生的缺陷。其中包括加熱聚丙烯腈（PAN）。在1500攝氏度時，高溫燃燒干凈但是又和碳原子強力結合，最終把它們初步變成的石墨烯納米帶，它對齊的方式阻止絲帶壓縮成石墨烯那樣熟悉的蜂窩狀晶格。

    Yakobson說：“在閱讀RNA 轉錄 D環的生物論文時，產生了纖維合成錯誤融合的想法。”他想到，這樣的缺陷在PNA基碳纖維中是無可避免的，于是在確定纖維的位置和力學影響之后做了大量的工作。

    研究者報道，分子動力學模擬顯示出錯誤融合時會連接單個聚合物鏈形成D環。這些環是碳纖維突出優勢的主要限制因素。他們減少了4倍，而且有效的把纖維強度理論估計值降到接近實驗所觀察的值。

    Nitant Gupta 是萊斯大學的一名研究生且是論文的第一作者，他說：“對我而言，最有趣的部分是意識到D環缺陷可造成伯氏矢量變大，但在3維材料中這幾乎是不可能甚至被認為這將是一個荒謬的想法。”伯氏矢量是反映晶格畸變錯位造成的強度。

    令研究員吃驚的是，當PAN鏈偏離纖維軸時，盡管D環存在，纖維的強度還是增強了。

    他們也認為著手石墨烯納米帶而不是PAN可能會完全阻止D環形成，因為D環是最可能產生裂縫的地方，根據模擬可知，盡可能消除它們將有利于提高纖維的強度。

    Peney說：“除了細節之外，我們希望看到這項研究作為原子模型水平交叉領域的一次嘗試。我們希望這將為領域的研究增值，最終受益于更多的人。”