莱斯大学创建计算模型 使纳米管纤维更坚固

新能源汽车讯 碳纳米管纤维远不如其中的纳米管坚固，赖斯大学的研究人员正在尽力缩小二者之间的差距。据外媒报道，莱斯大学布朗工程学院（Rice‘s Brown School of Engineering）的材料理论家Boris Yakobson及其团队创建了一个计算模型，在纳米管长度和束中纳米管之间的摩擦力之间建立通用比例关系，这些参数可以用来微调纤维的强度特性。

（图片来源：kenkennedy.rice）

科学家和工程师们可以将该模型作为开发导电纤维的工具，并将这些纤维应用于航空航天、汽车、医疗和纺织领域。

单个碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，而石墨烯是已知最坚固的材料之一。然而，据研究人员介绍，将其集合在一起时，此种线状纤维的强度要弱得多，大约是单个纳米管强度的百分之一。研究人员Evgeni Penev表示：“如果是一根单独的纳米管，那几乎就是你能想象到的最强劲的东西，因为其中含有非常强的碳-碳键。但用纳米管制造的东西，比你想象的要弱得多。我们的问题是，为什么？如何解决这种差距呢？”

通过模型可以看出，纳米管的长度及其之间的摩擦力，是衡量整体纤维强度的最佳指标。可以考虑的改善策略包括，一种方法是采用更长的纳米管；另一种方法是增加管之间的交联量，通过化学方法或电子辐照来产生缺陷，使碳原子可以结合在一起。

粗粒模型对纳米管之间的摩擦进行量化，尤其是当纤维处于应变状态时，摩擦如何调节滑移，以及纳米管之间的连接在断裂后的恢复程度。长度和摩擦力之间的平衡很重要：纳米管越长，需要的交联越少，反之亦然。Penev表示：“纵向间隙只是你可以制造纳米管长度的函数。这些间隙本质上即为缺陷，在你开始拉动管束时会导致界面滑动。”

鉴于这种固有弱点，Penev和主要研究人员Nitant Gupta开始研究交联对强度的影响。Penev表示：“我们按照碳二聚体或短烃链为这些连接建模，在拉动它们时，我们会看到发生了伸展和断裂。在很大程度上，界面的整体强度取决于交联的愈合能力。如果在纳米管滑移时，它们断裂并重新连接到下一个可用碳上，管之间就会产生有效摩擦，从而使纤维变得更坚固。这是最理想的情况。”

Gupta表示：“我们发现交联密度和长度起着相似的作用，我们使用这两个值的乘积来表征整个管束的强度。”

编织纳米管，或将它们像链条一样连接起来，也有可能增强纤维强度。Penev表示，虽然超出当前模型的能力，但这些技术值得研究。

加固材料具有很大的技术价值。Yakobson表示，“我们的理论以更清晰的角度展现大量不同的数据，为以后的长期研究奠定基础。”