ACS Nano:论合成“零缺陷”碳纳米管的重要性

理论上，采用碳纳米管（CNTs）可生产出拉伸强度高达50GPa超强材料。然而，实际上生产的很多碳纳米管纤维的强度只有几个GPa。

最近，研究人员基于碳纳米管壁上的几种不同的旋转位移拓扑缺陷，测试了其在拉伸试验中的不同力学响应，发现极少的拓扑缺陷就能够大大降低（高达一个数量级）碳纳米管的强度。

这项研究得出：就算是几近完美的碳纳米管的也不能得到超强的材料，因此，合成零缺陷的碳纳米管就成为了利用碳纳米管制造超强材料的必要条件。

图文导读：

图一：带有旋转位移拓扑缺陷的石墨烯/碳纳米管的应变分布图

图一：旋转位移拓扑缺陷不同于普通的点缺陷，它有五角形（a）和七角形（c)两种，在石墨烯或碳纳米管结构中，这两种缺陷的存在不仅能改变缺陷处的结构，并且还能影响材料的整体形状。图（a）和（c）分别为带有五角形和七角形拓扑缺陷的石墨烯纳米带，在其长度方向上施加拉应力后的应变状态图。图（b）和（d）为相应于图（a）和（c）中相对颜色虚线处的应变曲线图。在没有(e)和有（f)拉伸载荷条件下，插入有一对5-7拓扑缺陷的ASWCNT（单壁碳纳米管）的结构示意图。

图二：零缺陷碳纳米管与含有拓扑缺陷的碳纳米管的破环形式

图二：图(a)为零缺陷的CNT（11，0）的在拉应力作用下的能源应变（为拉应变的函数）曲线。（a）中的两个插图分别为有9.8%应变的碳纳米管（左上角）和断裂的碳纳米管（右下角）。图（b）为在一项单体研究中，含有5%应变的（6，6）-(11,0)-35.81°碳纳米管。图（c）为沿着(b)图中的红色和黑色线的C-C键的应变图。图（d）为（6，6）-(11,0)-35.81°碳纳米管的应变能量，拉伸应力与伸长率图。图（e−h）为（6，6）-(11,0)-35.81°碳纳米管在断裂过程中的快照。五角形和七角形缺陷分别用蓝色和红色的球突出显示。
注：(n1,m1)-(n2,m2)-θ CNT表示含有一定拓扑缺陷的碳纳米管，其中(n1,m1)和(n2,m2)表示直线碳纳米管节段的螺旋参数，θ为旋转角。

图三：含有拓扑缺陷的碳纳米管的机械性能显著降低

图三：图（a）为碳纳米管的断裂应力σ(a)作为碳纳米管管壁的转动角度和管直径（插图所示）的函数的曲线图。图（b）为等效断裂应变ε(b)和韧性T(c)作为碳纳米管管壁的转动角度和管直径（插图所示）的函数的曲线图。图(b)和(c)中的暗绿色虚线对应的等效断裂应变和韧性的拟合公式分别为︰ε=36.55×θ（−0.57）和T=43.72×θ(−1)。图（d）为(6，6)-(11,0)-35.81°碳纳米管（红色虚线）和（6，6）-(11,0)92.53°碳纳米管（蓝色虚线）在20GPa的拉应力作用下弯曲区域的应变分布图。

图四：20GPa拉应力下不同碳纳米管的归一化应变分布图

图四：分别为(3, 3)-(5, 0)-34.78°, (5, 5)-(9, 0)-35.96°,和 (7, 7)-(13, 0)-35.81°碳纳米管在20GPa的拉应力作用下的归一化应变分布图。碳原子按照与其相连的三个键的平均应变大小被填色。

图五：原子模拟碳纳米管纤维的破裂过程

图五：图（a）为由分别为（8，0）-(9, 0)-0°（绿色）和（5，5）-(9，0)35.96°（蓝色）的两条碳纳米管组成的碳纳米管纤维模型。图（b）为碳纳米管纤维的应变能和拉应力对应变的关系曲线图。图（c）为含有七边形缺陷的(5,5)-(9,0)碳纳米管的最长的C−C键的长度与应变的关系曲线图。图（d）和（e）分别为(5,5)-(9,0)碳纳米管纤维断裂前和断裂后的快照。

原文参考链接：The Great Reduction of a Carbon Nanotube’s mechanical performance by a few topological defects

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