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背景介紹

高強度和輕量化材料一直是廣泛研究領域中備受追捧的結構材料。單壁碳納米管理論上具有100-200 GPa范圍內的極限固有拉伸強度，是現(xiàn)有材料中最高的。然而，先前的實驗研究表明，實際碳納米管的強度重量比通常比無缺陷單壁碳納米管的理想值低幾倍，這是由于實際碳納米管中不可避免地存在結構缺陷，并且表現(xiàn)出相當程度的分散性。由于缺乏系統(tǒng)的實驗研究，使得真正的單壁碳納米管的斷裂機理一直模糊不清，因此阻礙了制造具有理想強度重量比的宏觀結構材料的發(fā)展。

成果簡介

近日，來自日本名古屋大學、京都大學、愛知工業(yè)大學和兵庫縣立大學的科研團隊合作，首次報道了實驗測量的單個結構定義的單壁碳納米管的極限拉伸強度。其強度取決于納米管的手性結構，其中小直徑、近扶手椅狀納米管具有最高的拉伸強度。這種觀察到的結構依賴關系可以通過內部結構依賴的原子間應力得到全面的理解，它集中在真實納米管中不可避免存在的結構缺陷上。這些發(fā)現(xiàn)突出了在試圖制造最強材料時應該合成的目標納米管結構。該研究成果以題為“Strength of carbon nanotubes depends on their chemical structures”的論文發(fā)表在《Nature》子刊《Nature Communications》上（見文后原文鏈接）。

圖文速覽

本文報告了第一次直接測量單個結構定義的單壁碳納米管(以下簡稱納米管)的極限拉伸強度，為納米管結構的強度和斷裂韌性提供了清晰的見解。所測得的16種納米管的強度均在25-66 GPa范圍內，且與手性結構有關，其中直徑較小、接近扶手椅的納米管的拉伸強度最高。這種觀察到的結構依賴關系可以通過內部結構依賴的原子間應力及其在結構缺陷處的濃度來全面理解，而這在實際的納米管中幾乎是不可避免的�；瘜W鍵的方向主要影響納米管的凈強度，而應力集中的概念依賴于經典的線性彈性斷裂力學，仍然部分適用。本文成功地建立了一個經驗公式來預測實際納米管的強度，包括無意的結構缺陷。這些發(fā)現(xiàn)清楚地強調了要合成的目標納米管結構，當試圖用碳納米管制造最強的宏觀材料時，這些結構不受很好的約束，但可能有選擇性地生長。

圖1. 結構定義的納米管

圖2. 拉伸強度測量

圖3. 極限拉伸強度的手性依賴性

圖4. 納米管拉伸強度的經驗模型

小結

本文研究結果可以看出，不同類型的納米管的拉伸強度可能在~60GPa以上，這是建造太空電梯的最小閾值要求。由于實現(xiàn)強度>60 GPa的結構選擇性要求沒有受到很好的限制，因此在不久的將來，在（d，θ）的目標范圍內制造生長長的、精密結構的納米管似乎是可行的。因此，本文的研究結果強調：為實現(xiàn)這些高強度結構材料而應選擇性合成的目標化學結構，并對真正的碳納米管的斷裂機制提供一個全面的理解，本文工作為開發(fā)新的方法來克服當前真正的碳納米管強度極限提高提供思路。

（中國粉體網編輯整理/墨玉）

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