背景及成果簡介

超強材料可應用於防彈衣、飛機機身、吊橋、飛輪儲能等許多領域。碳奈米管（CNT）作為最堅固的材料之一， 可用於製造超強纖維。然而，碳奈米管的拉伸強度因缺陷而受到很大影響，迄今為止製備的碳奈米管纖維的強度遠低於單個碳奈米管的強度，表現出“尺寸效應”。固體力學的傳統研究通常基於材料包含缺陷的假設。無缺陷的超長碳奈米管有望幫助我們避免奈米材料的“尺寸效應”並生產超強碳奈米管纖維。它們還將為研究具有非定域“量子應力奇異性”的理想固體的力學行為提供一個系統。

本文，清華大學Yunxiang Bai（第一作者）/張如範 副教授（通訊作者）與魏飛教授（通訊作者）等研究人員在《Acc. Mater. Res》期刊發表名為“Mechanical Behavior of Single and Bundled Defect-Free Carbon Nanotubes”的綜述。討論了對無缺陷單個CNT 和CNT束的機械行為的研究。

（1）、介紹了超長碳奈米管的無缺陷結構，這是一種理想的固體。

（2）、回顧了對單釐米長無缺陷碳奈米管的靜態拉伸效能和動態疲勞抗力及其溫度依賴性的研究。結果表明，無缺陷的碳奈米管具有優異的綜合機械效能，包括超強度、韌性和耐久性。與傳統材料不同，碳奈米管的疲勞壽命和斷裂以第一個單鍵尺寸缺陷（量子應力奇點）為主，表現出“超脆性”。

（3）、透過使用氣流聚焦原位合成方法以及同步收緊和鬆弛強化策略，成功地製造了拉伸強度接近單個碳奈米管的碳奈米管束，並表明可以避免“尺寸效應”。

（4）、還討論了在飛輪儲能中使用碳奈米管的優勢和前景。

（5）、進一步為固體力學提供新的視角和見解

圖文導讀

2. 1、超長無缺陷結構的碳奈米管

這些超長碳奈米管為研究提供了克服“尺寸效應”的可能性。此外，它們為作者提供了一個研究理想固體力學行為的系統，這可能有助於將固體力學的某些分支提高到一個新的水平。

圖1. 超長無缺陷結構的碳奈米管。

2.2、單碳奈米管的機械效能

作者認為超脆性不僅取決於外部溫度，還與碳奈米管本身的特殊結構有很大關係。需要注意的是，脆性實際上與延展性相反，而不是韌性，因此它與韌性沒有衝突。這種超脆性很重要。

圖3. 單個CNT的抗疲勞性

2.3、 碳奈米管束的拉伸效能

如上所述，所有報道的 CNT 纖維/繫繩的拉伸強度都遠小於單個 CNT 的拉伸強度，顯示出“尺寸效應”。這裡的兩個關鍵原因是原子結構缺陷和不連續的 CNT 長度。已經討論過缺陷會嚴重削弱 CNT 的拉伸強度。此外，不連續的碳奈米管長度降低了由微弱的管間相互作用貢獻的纖維強度，而不是碳奈米管固有的強共價鍵。此外，雜質和排列不良等其他因素也會削弱 CNT纖維。製造無缺陷、整齊、排列良好、連續結構的CNTB，研究束強度與尺寸的關係，有望幫助獲得拉伸強度接近單個CNT的CNTB，並回答“尺寸效應”是否可以避免在理想固體中。

圖4. 生長的超長 CNTB 的結構及其機械效能。

圖5. STR 處理後CNTB的STR策略和機械效能

2.4、 基於碳奈米管的飛輪儲能

圖6. 基於CNT的FES。

小結與展望

回顧了在單個和成束無缺陷CNT的力學行為研究方面的最新進展，並證明了無缺陷CNT的機械優勢和獨特性。還證明了使用無缺陷的碳奈米管來避免“尺寸效應”。最後，作者提供對該領域的挑戰和未來方向的看法。

1、對理想固體性質的研究才剛剛開始。在這裡，我們使用一種理想的固體（無缺陷的碳奈米管）和一類特性（機械行為），與傳統的含有缺陷的固體相比，我們展示了一些優越和獨特的特性。我們相信，隨著更理想的固體種類和表徵技術來研究它們的各種性質（電學性質、熱學性質、磁學性質、光學性質等），我們很可能會發現並獲得更優越和新穎的性質，以顯著促進材料科學的發展。

2、上述討論表明，理想的固體可以具有非凡和獨特的性質。因此，合成具有無缺陷結構的理想固體至關重要。然而，目前只有少數理想的固體可用。眾所周知，“從 95 分提高到 100 分比從 90 分提高到 95 分要困難得多”，而對理想固體性質的初步令人滿意的研究結果告訴我們，理想的綜合固體是值得的，需要更多的關注。

3、考慮到碳奈米管的生產，團聚碳奈米管和垂直排列的碳奈米管陣列已達到年產1萬噸，而超長無缺陷碳奈米管和碳奈米管由於產量低（受合成限制）僅處於實驗室研究階段。方法）和反應器尺寸限制。因此，克服理想固體如超長碳奈米管的量產瓶頸具有重要意義。

4、30年來，我們見證了最強碳奈米管的夢想在宏觀上變成了現實。考慮到無缺陷碳奈米管的其他優異效能（如電效能、熱效能等），有充分的理由相信它們將來可以在FES、人造肌肉、飛機、巨型結構等一些應用領域帶來革命性的突破。

文獻：

https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00120