东京工业大学的研究人员发现，碳纳米管（CNT）束和纱线机械性能差的原因可能是扭转过程中碳纳米管的局部重排。通过分子动力学模拟，他们发现扭转碳纳米管束会产生分离线，从而对整体拉伸性能产生负面影响。他们的研究结果发表在《Carbon》杂志上。
对碳纳米管纱线机械性能的见解。图片来源：东京工业大学
碳不仅是生命的基本要素，还因其在工程应用中的多功能性而备受研究。尤其是碳纳米管（CNTs），由于其强度高、重量轻，在航空航天、半导体和医疗领域显示出巨大的应用潜力。
然而，由于碳纳米管通常较短，因此需要将其编织成束或纱线，以提高其实际应用价值。尽管如此，科学家们观察到，当碳纳米管束（CNTB）和纱线被扭曲时，它们的抗拉强度会显著降低–与单根碳纳米管相比，有时会降低几个数量级。尽管对这一现象进行了大量研究，但其根本原因仍然难以捉摸。
东京工业大学副教授 Xiao-Wen Lei 最近在《Carbon》杂志上发表了一项研究，旨在解决这一问题。研究人员利用分子动力学（MD）模拟结合 Delaunay 三角剖分算法来探索扭曲的 CNTB 的内部动力学。
研究小组为模拟创建了各种 CNTB 模型和配置，考虑了不同的 CNT 层数、长度、扭曲角度和力分布。然后，他们分析了 CNTB 在扭曲前后对拉伸的反应。
他们的观察结果表明，扭曲的 CNTB 和纱线的机械性能降低可归因于 “楔形分离”。碳纳米管成束后通常会形成六边形图案，当这种图案被破坏时，就会出现楔形偏移，这种偏移可能是由于缺少一个碳纳米管（正偏移），也可能是由于增加了一个额外的碳纳米管（负偏移）。
模拟结果表明，扭曲会引起 CNT 的局部重新排列，从而形成离散。在层数较多的 CNTB 中，这些偏析形成了弯曲的长线，在对 CNTB 进行机械拉伸时对其拉伸性能产生了显著影响。
我们观察到，出现剥离线会导致 CNTB 的杨氏模量降低，剥离线越长则杨氏模量越低。因此，扭曲的 CNTB 中出现剥离线可能是 CNT 纱线机械性能下降的主要原因之一。
雷晓文，东京工业大学副教授
综合上述研究结果，我们可以深入了解目前 CNTB 所面临的一些限制因素背后的原因，并为通过加捻开发高性能 CNT 纱线提供了一些可能的途径。
通过了解材料中引入晶格缺陷所导致的微观内部堆积结构变化与机械性能之间的相关性而获得的洞察力，可以开拓一个与计算材料科学相关的新学术领域。我们的最终目标是让我们的研究在不久的将来为实现智能、可持续和繁荣的社会做出贡献。
雷晓文，东京工业大学副教授
期刊参考：
Lu, T., et al. (2024) Nucleation of disclinations in carbon nanotube bundle structures under twisting loads. Carbon. doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119287
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