近日，本课题组的研究论文《Identification and Analysis of Two CriticalStructural Parameters Governing the Strength of Carbon Nanotube Fibers》被Nano Letters接收。论文共同第一作者为习艾可、姜沁源、汪菲，通讯作者为清华大学化工系张如范副教授。
超强纤维在诸如航空和航天工程等众多前沿科技领域中扮演着不可或缺的角色。碳纳米管（CNTs）因其固有的超高强度（超过100 GPa）以及卓越的抗疲劳性能而被公认为是最强的纤维材料之一。然而，在宏观尺度上，碳纳米管纤维（CNTFs）的实际强度远低于其理论极限，文献报道的CNTFs最高静态和动态强度分别为9.6 GPa和14GPa。这种显著的差距主要源自于单个碳纳米管长度有限、CNTFs内部碳纳米管间作用力较弱以及组装过程中产生的结构缺陷等因素。为弥合这一理论与实际间的巨大鸿沟，我们采用粗粒化分子动力学模拟方法，从介观尺度研究了CNTFs的结构与强度之间的定量关系。研究结果表明，通过两个关键结构参数——长孔比和孔隙率，可以实现对纤维强度的定量分析。其中，长孔比不仅影响到束内碳纳米管的大小，还决定了它们的取向；而孔隙率则反映了单位截面积内的碳纳米管数量。探索不同工艺条件下参数的变化趋势发现，理想的后处理工艺应当能够在降低纤维孔隙率的同时大幅提升长孔比。本研究旨在为未来制备具有更高强度的碳纳米管纤维提供新的思路与视角。
首先通过对分子动力学结果的图像分析与数据处理确定了两个结构参数及其与纤维强度的定量关系。
图1. 碳纳米管纤维结构与强度之间的定量关系
然后探究不同孔隙大小对纤维强度的影响机制，我们发现当碳纳米管的长度保持不变时，孔径变化会改变碳纳米管的取向及其载荷传递效率。
图2. 孔径分布对碳纳米管纤维强度的影响机制
接下来探究不同单体长度对纤维强度的影响机制，我们发现碳纳米管的长度在拉伸过程中显著影响纤维结构的优化过程。
图3. 单体长度对碳纳米管纤维强度的影响机制
最后，通过实验分析加捻及湿拉伸工艺，我们发现理论模型与实验结果之间具有很高的吻合度。研究显示，只有那些能够在降低孔隙率的同时显著提高纤维长孔比的后处理方法，才有望缩小实际碳纳米管纤维强度与理论上限之间的差距。
图4. 定量模型在碳纳米管纤维实际生产过程中的应用
该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。Nano Letters是美国化学会旗下的顶级期刊，专注于纳米材料领域的前沿研究成果。
