找到Bug——揭开碳纤维D样式环缺陷的神秘面纱

材料牛注：最近，莱斯大学的研究人员模拟分析碳纤维的缺陷所在，发现在合成碳纤维过程中，聚合物链易于偏移且形成的D样式环可能是产生缺陷的地方，从而影响碳纤维强度。如何改善其缺陷是当前的问题，详情请看下文。

据莱斯大学科学家介绍，数十年来材料制造业的支柱力量--碳纤维，并没有达到其理想的应用状态，但也有改进的方法。

研究人员发现，在加工过程中，构成同一个碳纤维的聚合物链易于偏移形成缺陷，而缺陷就像一个有缺口的拉链，会削弱产品的性能。

莱斯大学实验室的理论物理学家Boris Yakobson着手分析这些被忽视的缺陷，并提出如何简化这些缺陷的办法。实验室的研究结果于本月在Advanced Materials期刊上发表。

早在19世纪的时候，就制备出了碳纤维，那时Thomas Edison把它作为灯泡丝。但是由于严重的工业发展使得它就此止步，直到50年代末才真正出现。它们牢固、灵活、导电、耐热、稳定，现已用于网球拍、自行车架和飞机以及其它多种产品。而且，它们也可以纺织纱线，用于纺织轻盈牢固的纤维织物。

Evgeni Penev是Yakobson实验室的研究员同时也是论文的共同作者。他说：“尽管技术很完善且成熟，但在新兴的低维纳米碳领域要想充分利用并获益于不断完善的理论发展，碳纤维领域却很大程度上处于惰性状态。”

莱斯大学的团队构建计算机模型，以推断出在广泛的碳纤维生产过程发生的缺陷。其中包括加热聚丙烯腈(PAN)。在1500摄氏度时，高温燃烧干净但是又和碳原子强力结合，最终把它们初步变成的石墨烯纳米带，它对齐的方式阻止丝带压缩成石墨烯那样熟悉的蜂窝状晶格。

Yakobson说：“在阅读RNA 转录 D环的生物论文时，产生了纤维合成错误融合的想法。”他想到，这样的缺陷在PNA基碳纤维中是无可避免的，于是在确定纤维的位置和力学影响之后做了大量的工作。

研究者报道，分子动力学模拟显示出错误融合时会连接单个聚合物链形成D环。这些环是碳纤维突出优势的主要限制因素。他们减少了4倍，而且有效的把纤维强度理论估计值降到接近实验所观察的值。

Nitant Gupta 是莱斯大学的一名研究生且是论文的第一作者，他说：“对我而言，最有趣的部分是意识到D环缺陷可造成伯氏矢量变大，但在3维材料中这几乎是不可能甚至被认为这将是一个荒谬的想法。”伯氏矢量是反映晶格畸变错位造成的强度。

令研究员吃惊的是，当PAN链偏离纤维轴时，尽管D环存在，纤维的强度还是增强了。

他们也认为着手石墨烯纳米带而不是PAN可能会完全阻止D环形成，因为D环是最可能产生裂缝的地方，根据模拟可知，尽可能消除它们将有利于提高纤维的强度。

Peney说：“除了细节之外，我们希望看到这项研究作为原子模型水平交叉领域的一次尝试。我们希望这将为领域的研究增值，最终受益于更多的人。”

原文链接：Study explains strength gap between graphene, carbon fiber: Rice University researchers simulate defects in popular fiber, suggest ways to improve it。

文献链接：Carbonization with Misfusion: Fundamental Limits of Carbon-Fiber Strength Revisited

本文由材料人编辑部杨树提供素材，申飘阳编译，丁菲菲审核，点我加入材料人编辑部。