理論和實(shí)驗(yàn)已證明碳納米管具有極高的強(qiáng)度、韌性和彈性模量，碳納米管在力學(xué)方面的應(yīng)用主要是作為增強(qiáng)體來(lái)制備高強(qiáng)度的復(fù)合物。金屬基納米復(fù)合材料具有高比剛度，高比韌性，耐高溫，耐腐蝕，抗疲勞及導(dǎo)電導(dǎo)熱等功能特性，被廣泛地應(yīng)用到航天航空、汽車、機(jī)械、化工和電子等領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用金屬基納米復(fù)合材料一直是高新技術(shù)的重要內(nèi)容之一。在復(fù)合物中如何讓碳納米管優(yōu)異的力學(xué)性能得到充分的發(fā)揮是目前研究的重點(diǎn)。

    由于碳納米管之間存在很強(qiáng)的范德華力，極易產(chǎn)生團(tuán)聚，導(dǎo)致碳納米管在復(fù)合材料中很難均勻分散；而且，碳納米管是由單一的碳原子通過(guò)sp3雜化和sp2雜化組成，化學(xué)活性低，碳納米管的尺寸與金屬晶格相差較大，在制備復(fù)合材料時(shí)很難與金屬基體形成有效的界面結(jié)合。因此，傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合物的制備方法對(duì)于碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合物的制備具有很大局限性。另外，雖然已經(jīng)有一些關(guān)于碳納米管/金屬?gòu)?fù)合物的報(bào)道，但仍然缺乏有效手段用于表征金屬基復(fù)合物受到應(yīng)力時(shí)復(fù)合物中碳納米管的微觀力學(xué)過(guò)程。最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室“納米材料與介觀物理”研究組牛志強(qiáng)博士、周維亞研究員、解思深院士等人，對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。他們充分利用直接生長(zhǎng)的自支撐碳納米管薄膜獨(dú)特的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率、高力學(xué)強(qiáng)度等特點(diǎn)（Nano Lett. 2007, 7, 2307），制備出了高強(qiáng)度碳納米管、銅基夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜。

    利用浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積法直接生長(zhǎng)的碳納米管薄膜是獨(dú)立無(wú)支撐的連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)，碳納米管管束之間以強(qiáng)度較高的Y型結(jié)點(diǎn)相連接，導(dǎo)電率比較高。他們以這種碳納米管薄膜作為模板，利用電沉積的方法制備出的碳納米管、銅金屬基夾層結(jié)構(gòu)（Cu/SWCNT/Cu）復(fù)合薄膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了碳納米管優(yōu)異力學(xué)性質(zhì)在復(fù)合薄膜中的有效轉(zhuǎn)移。通過(guò)拉曼散射光譜原位分析應(yīng)力作用下Cu/SWCNT/Cu復(fù)合薄膜中碳納米管G’模的頻移變化，了解了碳納米管在微觀尺度下的軸向應(yīng)變情況，這有助于理解碳納米管在金屬基復(fù)合物中的微觀力學(xué)過(guò)程。分析結(jié)果表明：碳納米管薄膜特殊的組織結(jié)構(gòu)和碳納米管與Cu形成強(qiáng)度適中的界面是碳納米管在夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜中高有效載荷傳遞效率的主要原因。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Advanced Functional Materials (2012, 22, 5209)上，被選作內(nèi)封面。

    該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和北京市教委項(xiàng)目的支持。