背景介绍

高强度和轻量化材料一直是广泛研究领域中备受追捧的结构材料。单壁碳纳米管理论上具有100-200 GPa范围内的极限固有拉伸强度，是现有材料中最高的。然而，先前的实验研究表明，实际碳纳米管的强度重量比通常比无缺陷单壁碳纳米管的理想值低几倍，这是由于实际碳纳米管中不可避免地存在结构缺陷，并且表现出相当程度的分散性。由于缺乏系统的实验研究，使得真正的单壁碳纳米管的断裂机理一直模糊不清，因此阻碍了制造具有理想强度重量比的宏观结构材料的发展。

成果简介

近日，来自日本名古屋大学、京都大学、爱知工业大学和兵库县立大学的科研团队合作，首次报道了实验测量的单个结构定义的单壁碳纳米管的极限拉伸强度。其强度取决于纳米管的手性结构，其中小直径、近扶手椅状纳米管具有最高的拉伸强度。这种观察到的结构依赖关系可以通过内部结构依赖的原子间应力得到全面的理解，它集中在真实纳米管中不可避免存在的结构缺陷上。这些发现突出了在试图制造最强材料时应该合成的目标纳米管结构。该研究成果以题为“Strength of carbon nanotubes depends on their chemical structures”的论文发表在《Nature》子刊《Nature Communications》上（见文后原文链接）。

图文速览

本文报告了第一次直接测量单个结构定义的单壁碳纳米管（以下简称纳米管）的极限拉伸强度，为纳米管结构的强度和断裂韧性提供了清晰的见解。所测得的16种纳米管的强度均在25-66 GPa范围内，且与手性结构有关，其中直径较小、接近扶手椅的纳米管的拉伸强度最高。这种观察到的结构依赖关系可以通过内部结构依赖的原子间应力及其在结构缺陷处的浓度来全面理解，而这在实际的纳米管中几乎是不可避免的。化学键的方向主要影响纳米管的净强度，而应力集中的概念依赖于经典的线性弹性断裂力学，仍然部分适用。本文成功地建立了一个经验公式来预测实际纳米管的强度，包括无意的结构缺陷。这些发现清楚地强调了要合成的目标纳米管结构，当试图用碳纳米管制造最强的宏观材料时，这些结构不受很好的约束，但可能有选择性地生长。

图1. 结构定义的纳米管

图2. 拉伸强度测量

图3. 极限拉伸强度的手性依赖性

图4. 纳米管拉伸强度的经验模型

小结

本文研究结果可以看出，不同类型的纳米管的拉伸强度可能在~60GPa以上，这是建造太空电梯的最小阈值要求。由于实现强度>60 GPa的结构选择性要求没有受到很好的限制，因此在不久的将来，在（d，θ）的目标范围内制造生长长的、精密结构的纳米管似乎是可行的。因此，本文的研究结果强调：为实现这些高强度结构材料而应选择性合成的目标化学结构，并对真正的碳纳米管的断裂机制提供一个全面的理解，本文工作为开发新的方法来克服当前真正的碳纳米管强度极限提高提供思路。

文章官网链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10959-7