扭曲碳纳米管纱线力学弱点的新见解

碳除了是生命的重要组成部分外，由于其作为工程材料的多功能性，人们正在积极研究碳。特别是碳纳米管（CNT），由于其高强度和低重量，在航空航天、半导体和医疗应用中表现出了巨大的潜力

由于碳纳米管通常较短，因此需要将其编织成束或纱线以扩大其实际用途。然而，科学家们注意到，CNT束（CNTB）和CNT纱线在扭曲时都表现出比单个CNT低得多的拉伸强度——拉伸性能的下降甚至可以达到几个数量级！最糟糕的是，尽管进行了研究，但这一现象背后的原因仍不清楚

在2024年5月30日发表在《碳》杂志上的一项最新研究中，日本东京工业大学副教授肖文磊领导的一个研究小组试图解决这个难题。通过结合分子动力学（MD）模拟和Delaunay三角测量算法，他们揭示了CNTB扭曲时内部可能发生的情况

研究人员为MD模拟设计了几个CTNB模型和设置，考虑了不同数量的CNT层、CNT长度、扭曲角度和扭曲力分布。在进行模拟后，他们仔细分析了CNTB在扭曲前后对拉伸的反应

通过观察扭曲的碳纳米管的横截面，该团队揭示了碳纳米管和碳纳米管纱线的不良机械性能可能是由所谓的“楔形向错”引起的。要了解这些是什么，首先应该知道碳纳米管在成束时会自然地排列成六边形。向错是指该图案中的缺陷，其中六个CNT组中缺少一个CNT（正向错），或者插入额外的CNT以形成七个排列（负向错）

基于模拟，研究人员发现，当CNTB扭曲时，由于局部CNT重排而产生向错。这些向错在具有更多层的CNTB中形成长的、弯曲的向错线。最重要的是，这些线似乎对CNTB在机械拉伸时的行为有直接影响

“我们观察到，向错线的存在导致CNTB的杨氏模量降低，较长的向错线对应较低的杨氏模量。因此，扭曲的CNTB中出现向错线可能是CNT纱线机械性能下降的关键原因之一，”雷解释道

总之，这项研究的发现有助于解释碳纳米管目前的一些局限性，并提示通过加捻实现高性能碳纳米管纱线的潜在解决方案