背景介紹

高強(qiáng)度和輕量化材料一直是廣泛研究領(lǐng)域中備受追捧的結(jié)構(gòu)材料。單壁碳納米管理論上具有100-200 GPa范圍內(nèi)的極限固有拉伸強(qiáng)度，是現(xiàn)有材料中最高的。然而，先前的實(shí)驗(yàn)研究表明，實(shí)際碳納米管的強(qiáng)度重量比通常比無缺陷單壁碳納米管的理想值低幾倍，這是由于實(shí)際碳納米管中不可避免地存在結(jié)構(gòu)缺陷，并且表現(xiàn)出相當(dāng)程度的分散性。由于缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，使得真正的單壁碳納米管的斷裂機(jī)理一直模糊不清，因此阻礙了制造具有理想強(qiáng)度重量比的宏觀結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展。

成果簡介

近日，來自日本名古屋大學(xué)、京都大學(xué)、愛知工業(yè)大學(xué)和兵庫縣立大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)合作，首次報(bào)道了實(shí)驗(yàn)測量的單個(gè)結(jié)構(gòu)定義的單壁碳納米管的極限拉伸強(qiáng)度。其強(qiáng)度取決于納米管的手性結(jié)構(gòu)，其中小直徑、近扶手椅狀納米管具有最高的拉伸強(qiáng)度。這種觀察到的結(jié)構(gòu)依賴關(guān)系可以通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)依賴的原子間應(yīng)力得到全面的理解，它集中在真實(shí)納米管中不可避免存在的結(jié)構(gòu)缺陷上。這些發(fā)現(xiàn)突出了在試圖制造最強(qiáng)材料時(shí)應(yīng)該合成的目標(biāo)納米管結(jié)構(gòu)。該研究成果以題為“Strength of carbon nanotubes depends on their chemical structures”的論文發(fā)表在《Nature》子刊《Nature Communications》上（見文后原文鏈接）。

圖文速覽

本文報(bào)告了第一次直接測量單個(gè)結(jié)構(gòu)定義的單壁碳納米管（以下簡稱納米管）的極限拉伸強(qiáng)度，為納米管結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和斷裂韌性提供了清晰的見解。所測得的16種納米管的強(qiáng)度均在25-66 GPa范圍內(nèi)，且與手性結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中直徑較小、接近扶手椅的納米管的拉伸強(qiáng)度最高。這種觀察到的結(jié)構(gòu)依賴關(guān)系可以通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)依賴的原子間應(yīng)力及其在結(jié)構(gòu)缺陷處的濃度來全面理解，而這在實(shí)際的納米管中幾乎是不可避免的。化學(xué)鍵的方向主要影響納米管的凈強(qiáng)度，而應(yīng)力集中的概念依賴于經(jīng)典的線性彈性斷裂力學(xué)，仍然部分適用。本文成功地建立了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測實(shí)際納米管的強(qiáng)度，包括無意的結(jié)構(gòu)缺陷。這些發(fā)現(xiàn)清楚地強(qiáng)調(diào)了要合成的目標(biāo)納米管結(jié)構(gòu)，當(dāng)試圖用碳納米管制造最強(qiáng)的宏觀材料時(shí)，這些結(jié)構(gòu)不受很好的約束，但可能有選擇性地生長。

圖1. 結(jié)構(gòu)定義的納米管

圖2. 拉伸強(qiáng)度測量

圖3. 極限拉伸強(qiáng)度的手性依賴性

圖4. 納米管拉伸強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

小結(jié)

本文研究結(jié)果可以看出，不同類型的納米管的拉伸強(qiáng)度可能在~60GPa以上，這是建造太空電梯的最小閾值要求。由于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度>60 GPa的結(jié)構(gòu)選擇性要求沒有受到很好的限制，因此在不久的將來，在（d，θ）的目標(biāo)范圍內(nèi)制造生長長的、精密結(jié)構(gòu)的納米管似乎是可行的。因此，本文的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)：為實(shí)現(xiàn)這些高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料而應(yīng)選擇性合成的目標(biāo)化學(xué)結(jié)構(gòu)，并對真正的碳納米管的斷裂機(jī)制提供一個(gè)全面的理解，本文工作為開發(fā)新的方法來克服當(dāng)前真正的碳納米管強(qiáng)度極限提高提供思路。

文章官網(wǎng)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10959-7