背景及成果简介

超强材料可应用于防弹衣、飞机机身、吊桥、飞轮储能等许多领域。碳纳米管（CNT）作为最坚固的材料之一， 可用于制造超强纤维。然而，碳纳米管的拉伸强度因缺陷而受到很大影响，迄今为止制备的碳纳米管纤维的强度远低于单个碳纳米管的强度，表现出“尺寸效应”。固体力学的传统研究通常基于材料包含缺陷的假设。无缺陷的超长碳纳米管有望帮助我们避免纳米材料的“尺寸效应”并生产超强碳纳米管纤维。它们还将为研究具有非定域“量子应力奇异性”的理想固体的力学行为提供一个系统。

本文，清华大学Yunxiang Bai（第一作者）/张如范 副教授（通讯作者）与魏飞教授（通讯作者）等研究人员在《Acc. Mater. Res》期刊发表名为“Mechanical Behavior of Single and Bundled Defect-Free Carbon Nanotubes”的综述。讨论了对无缺陷单个CNT 和CNT束的机械行为的研究。

（1）、介绍了超长碳纳米管的无缺陷结构，这是一种理想的固体。

（2）、回顾了对单厘米长无缺陷碳纳米管的静态拉伸性能和动态疲劳抗力及其温度依赖性的研究。结果表明，无缺陷的碳纳米管具有优异的综合机械性能，包括超强度、韧性和耐久性。与传统材料不同，碳纳米管的疲劳寿命和断裂以第一个单键尺寸缺陷（量子应力奇点）为主，表现出“超脆性”。

（3）、通过使用气流聚焦原位合成方法以及同步收紧和松弛强化策略，成功地制造了拉伸强度接近单个碳纳米管的碳纳米管束，并表明可以避免“尺寸效应”。

（4）、还讨论了在飞轮储能中使用碳纳米管的优势和前景。

（5）、进一步为固体力学提供新的视角和见解

图文导读

2. 1、超长无缺陷结构的碳纳米管

这些超长碳纳米管为研究提供了克服“尺寸效应”的可能性。此外，它们为作者提供了一个研究理想固体力学行为的系统，这可能有助于将固体力学的某些分支提高到一个新的水平。

图1. 超长无缺陷结构的碳纳米管。

2.2、单碳纳米管的机械性能

作者认为超脆性不仅取决于外部温度，还与碳纳米管本身的特殊结构有很大关系。需要注意的是，脆性实际上与延展性相反，而不是韧性，因此它与韧性没有冲突。这种超脆性很重要。

图3. 单个CNT的抗疲劳性

2.3、 碳纳米管束的拉伸性能

如上所述，所有报道的 CNT 纤维/系绳的拉伸强度都远小于单个 CNT 的拉伸强度，显示出“尺寸效应”。这里的两个关键原因是原子结构缺陷和不连续的 CNT 长度。已经讨论过缺陷会严重削弱 CNT 的拉伸强度。此外，不连续的碳纳米管长度降低了由微弱的管间相互作用贡献的纤维强度，而不是碳纳米管固有的强共价键。此外，杂质和排列不良等其他因素也会削弱 CNT纤维。制造无缺陷、整齐、排列良好、连续结构的CNTB，研究束强度与尺寸的关系，有望帮助获得拉伸强度接近单个CNT的CNTB，并回答“尺寸效应”是否可以避免在理想固体中。

图4. 生长的超长 CNTB 的结构及其机械性能。

图5. STR 处理后CNTB的STR策略和机械性能

2.4、 基于碳纳米管的飞轮储能

图6. 基于CNT的FES。

小结与展望

回顾了在单个和成束无缺陷CNT的力学行为研究方面的最新进展，并证明了无缺陷CNT的机械优势和独特性。还证明了使用无缺陷的碳纳米管来避免“尺寸效应”。最后，作者提供对该领域的挑战和未来方向的看法。

1、对理想固体性质的研究才刚刚开始。在这里，我们使用一种理想的固体（无缺陷的碳纳米管）和一类特性（机械行为），与传统的含有缺陷的固体相比，我们展示了一些优越和独特的特性。我们相信，随着更理想的固体种类和表征技术来研究它们的各种性质（电学性质、热学性质、磁学性质、光学性质等），我们很可能会发现并获得更优越和新颖的性质，以显着促进材料科学的发展。

2、上述讨论表明，理想的固体可以具有非凡和独特的性质。因此，合成具有无缺陷结构的理想固体至关重要。然而，目前只有少数理想的固体可用。众所周知，“从 95 分提高到 100 分比从 90 分提高到 95 分要困难得多”，而对理想固体性质的初步令人满意的研究结果告诉我们，理想的综合固体是值得的，需要更多的关注。

3、考虑到碳纳米管的生产，团聚碳纳米管和垂直排列的碳纳米管阵列已达到年产1万吨，而超长无缺陷碳纳米管和碳纳米管由于产量低（受合成限制）仅处于实验室研究阶段。方法）和反应器尺寸限制。因此，克服理想固体如超长碳纳米管的量产瓶颈具有重要意义。

4、30年来，我们见证了最强碳纳米管的梦想在宏观上变成了现实。考虑到无缺陷碳纳米管的其他优异性能（如电性能、热性能等），有充分的理由相信它们将来可以在FES、人造肌肉、飞机、巨型结构等一些应用领域带来革命性的突破。

文献：

https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00120