理論上，采用碳納米管（CNTs）可生產(chǎn)出拉伸強(qiáng)度高達(dá)50GPa超強(qiáng)材料。然而，實(shí)際上生產(chǎn)的很多碳納米管纖維的強(qiáng)度只有幾個(gè)GPa。

    最近，研究人員基于碳納米管壁上的幾種不同的旋轉(zhuǎn)位移拓?fù)淙毕荩瑴y試了其在拉伸試驗(yàn)中的不同力學(xué)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)極少的拓?fù)淙毕菥湍軌虼蟠蠼档停ǜ哌_(dá)一個(gè)數(shù)量級）碳納米管的強(qiáng)度。

    這項(xiàng)研究得出：就算是幾近完美的碳納米管的也不能得到超強(qiáng)的材料，因此，合成零缺陷的碳納米管就成為了利用碳納米管制造超強(qiáng)材料的必要條件。

    圖文導(dǎo)讀：

    圖一：帶有旋轉(zhuǎn)位移拓?fù)淙毕莸氖?碳納米管的應(yīng)變分布圖

    圖一：旋轉(zhuǎn)位移拓?fù)淙毕莶煌谄胀ǖ狞c(diǎn)缺陷，它有五角形（a）和七角形（c）兩種，在石墨烯或碳納米管結(jié)構(gòu)中，這兩種缺陷的存在不僅能改變?nèi)毕萏幍慕Y(jié)構(gòu)，并且還能影響材料的整體形狀。圖（a）和（c）分別為帶有五角形和七角形拓?fù)淙毕莸氖┘{米帶，在其長度方向上施加拉應(yīng)力后的應(yīng)變狀態(tài)圖。圖（b）和（d）為相應(yīng)于圖（a）和（c）中相對顏色虛線處的應(yīng)變曲線圖。在沒有（e）和有（f）拉伸載荷條件下，插入有一對5-7拓?fù)淙毕莸腁SWCNT（單壁碳納米管）的結(jié)構(gòu)示意圖。

    圖二：零缺陷碳納米管與含有拓?fù)淙毕莸奶技{米管的破環(huán)形式

    圖二：圖（a）為零缺陷的CNT（11，0）的在拉應(yīng)力作用下的能源應(yīng)變（為拉應(yīng)變的函數(shù)）曲線。（a）中的兩個(gè)插圖分別為有9.8%應(yīng)變的碳納米管（左上角）和斷裂的碳納米管（右下角）。圖（b）為在一項(xiàng)單體研究中，含有5%應(yīng)變的（6，6）-（11,0）-35.81°碳納米管。圖（c）為沿著（b）圖中的紅色和黑色線的C-C鍵的應(yīng)變圖。圖（d）為（6，6）-（11,0）-35.81°碳納米管的應(yīng)變能量，拉伸應(yīng)力與伸長率圖。圖（e?h）為（6，6）-（11,0）-35.81°碳納米管在斷裂過程中的快照。五角形和七角形缺陷分別用藍(lán)色和紅色的球突出顯示。

    注：（n1,m1）-（n2,m2）-θ CNT表示含有一定拓?fù)淙毕莸奶技{米管，其中（n1,m1）和（n2,m2）表示直線碳納米管節(jié)段的螺旋參數(shù)，θ為旋轉(zhuǎn)角。

    圖三：含有拓?fù)淙毕莸奶技{米管的機(jī)械性能顯著降低

    圖三：圖（a）為碳納米管的斷裂應(yīng)力σ（a）作為碳納米管管壁的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和管直徑（插圖所示）的函數(shù)的曲線圖。圖（b）為等效斷裂應(yīng)變ε（b）和韌性T（c）作為碳納米管管壁的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和管直徑（插圖所示）的函數(shù)的曲線圖。圖（b）和（c）中的暗綠色虛線對應(yīng)的等效斷裂應(yīng)變和韌性的擬合公式分別為︰ε=36.55×θ（？0.57）和T=43.72×θ（？1）。圖（d）為（6，6）-（11,0）-35.81°碳納米管（紅色虛線）和（6，6）-（11,0）92.53°碳納米管（藍(lán)色虛線）在20GPa的拉應(yīng)力作用下彎曲區(qū)域的應(yīng)變分布圖。

    圖四：20GPa拉應(yīng)力下不同碳納米管的歸一化應(yīng)變分布圖

    圖四：分別為（3, 3）-（5, 0）-34.78°， （5, 5）-（9, 0）-35.96°，和 （7, 7）-（13, 0）-35.81°碳納米管在20GPa的拉應(yīng)力作用下的歸一化應(yīng)變分布圖。碳原子按照與其相連的三個(gè)鍵的平均應(yīng)變大小被填色。

    圖五：原子模擬碳納米管纖維的破裂過程

    圖五：圖（a）為由分別為（8，0）-（9, 0）-0°（綠色）和（5，5）-（9，0）35.96°（藍(lán)色）的兩條碳納米管組成的碳納米管纖維模型。圖（b）為碳納米管纖維的應(yīng)變能和拉應(yīng)力對應(yīng)變的關(guān)系曲線圖。圖（c）為含有七邊形缺陷的（5,5）-（9,0）碳納米管的最長的C?C鍵的長度與應(yīng)變的關(guān)系曲線圖。圖（d）和（e）分別為（5,5）-（9,0）碳納米管纖維斷裂前和斷裂后的快照。