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備案號:浙B2-20100325-8
碳納米管作為理論�*強的�(jié)�(gòu)材料之一,其單根力學(xué)性能可達到百GPa級強度與TPa級模量。然而,這種*性能在宏觀材料中的實現(xiàn)始終面臨“尺度悖論”:宏觀尺度的碳納米管纖維或�(jié)�(gòu)件,其強度遠低于單根CNT的理論值,原因在于�(gòu)成這些�(jié)�(gòu)的納米管普遍存在長度不足、排列不齊與�(jié)�(gòu)缺陷,連接方式也往往依賴弱的剪切作用力。盡管已有多種策略嘗試通過共價鍵修�(fù)或能量束焊接實現(xiàn)連接增強,但均存在結(jié)�(gòu)損傷、成本高昂或操作�(fù)雜等難以工程化的瓶頸�
近日,清華大�(xué)魏飛教授團隊�(lián)合提出并實驗驗證了一種基于TiO?納米粒子的范德華焊接方法(Van der Waals welding),*在常壓、常溫下實現(xiàn)了近乎不損傷�(jié)�(gòu)的宏觀CNT焊接,其接頭強度接近單根CNT的理論極限,標志著碳納米材料“從實驗走向工程”的又一�(guān)鍵突破�
該技�(shù)基于快速化�(xué)氣相沉積自組裝(FCVDS)工藝,在幾秒內(nèi)即可將納米級TiO?顆粒精準沉積于CNT束的搭接區(qū)域,起到“納米釬料”作用。不同于傳統(tǒng)焊接對原子擴散或高溫共價重構(gòu)的依賴,該方法純粹依靠范德華力與界面摩擦實現(xiàn)連接,因此能夠避免因高能束照射或激�(fā)�(tài)生成而帶來的管壁�(jié)�(gòu)破壞。更重要的是,通過合理�(shè)計沉積參�(shù)與顆粒尺寸分布,僅需�1 wt%的“釬料”即可實�(xiàn)有效焊接�*大程度保留了CNT原有的低密度�(yōu)勀這種輕量級焊接方式為未來碳納米管在航天、軍工、柔性結(jié)�(gòu)材料等對比強度極端敏感的�(lǐng)域提供了切實可行的工程實�(xiàn)路徑�
從連接原理來看,研究團隊在“y型”CNT束模型中,通過拉曼位移分析與應(yīng)力轉(zhuǎn)移模型反演,*測量了TiO?納米粒子與CNT之間的有效剪切強度(4.16 pN/nm2),證實其來源于非共價作用力。這一�(jié)果不僅為后續(xù)焊接建模提供了力�(xué)參數(shù)支撐,也為異�(zhì)界面相互作用研究打開了新的實驗窗口。通過比較不同焊接�(jié)�(gòu)方案(如頭對頭、搭接、多點分布等)并建立理論臨界強度公式,研究進一步明確了“界面剪切破壞”而非“釬料破壞”是焊接失效的主�(dǎo)機制。這一認知不僅�(yōu)化了焊接策略,更對今�1D納米�(jié)�(gòu)連接強度�(shè)計提供了普適性指�(dǎo)�
在實驗驗證方面,作者利用特定構(gòu)型的CNT束進行焊接后,開展了基于懸臂梁的單根拉伸測試。測試樣品多為毫米級尺度,有效規(guī)避了電子束引起的輻照缺陷,同時實�(xiàn)了加載過程中的軸向均勻受力。在一系列焊接樣品中,超八成實�(xiàn)了“CNT本體斷裂”而非界面滑脫,其平均破斷強度達到116.8 ± 3.6 GPa,已無限接近單根CNT的理論值。這一�(jié)果不僅突破了長期困擾CNT工程�(yīng)用的“強度瓶頸”,也刷新了當前納米焊接�(lǐng)域的*高力�(xué)性能紀錄。與此同時,研究還觀察到個別樣品�(fā)生界面滑移,并通過力—應(yīng)變曲線呈�(xiàn)出典型的“靜摩擦—動摩擦”過渡形�(tài),這為后續(xù)焊接可靠性設(shè)計提供了�(guān)鍵的失效診斷指標�
值得注意的是,這一技�(shù)具備極高的工程可擴展性。TiO?焊料來源廣泛,F(xiàn)CVDS工藝無需高壓或潔凈條件,短時間沉積可精準控制顆粒尺寸與密度,具備大面積、常溫操作能力。在控制TiCl?水解路徑、氣流輸送距離(δ)與�(huán)境濕度等變量后,研究人員實現(xiàn)了尺寸集中分布、可重復(fù)的焊接體系構(gòu)建。例如,在濕度適中且沉積時間低于3秒的條件下,可形成粒徑均勻、覆蓋位置精準的“生物靶向式”焊接,這種“靶向沉積”能力有望拓展至柔性電子、納米組裝等高集成度制造場景�
在材料系�(tǒng)層面,這一范德華焊接策略突破了碳納米結(jié)�(gòu)連接方式的“物理極限”。相比傳�(tǒng)的等離子體激活或電流遷移誘導(dǎo)焊接方式,這種“軟連接”無需能量束輸入,無需犧牲�(jié)�(gòu)完整性,因而更適合多尺度、長距離納米材料的工程集成。此外,TiO?納米顆粒尺寸可進一步縮小至10 nm以下,有望進一步降低釬料質(zhì)量比。研究人員指出,在CNT長度超過半米的應(yīng)用場景中,焊料質(zhì)量比甚至可降�0.1 wt%以下,幾乎不影響*終構(gòu)件的比強度與�(jié)�(gòu)�(wěn)定性。這為碳納米管作為宏觀載荷�(jié)�(gòu)材料的工程落地提供了真正可行的連接方案�
綜上所述,這項研究不僅提出了一種兼具強度保持、結(jié)�(gòu)無損、重量控制與操作可行性的CNT焊接新技�(shù),更從力�(xué)機制、參�(shù)模型到工程實驗全面完成了對該策略的論證。其在實�(xiàn)碳納米管力學(xué)性能“無損放大”的同時,為高強度纖維材料、柔性器件、極限結(jié)�(gòu)件等�(yīng)用提供了�(guān)鍵技�(shù)支撐。未來,若能將該方法與產(chǎn)�(yè)級CVD CNT宏量制備技�(shù)�(lián)動,有望推動高強碳納米結(jié)�(gòu)材料從實驗室跨入�(chǎn)�(yè)端,賦能下一代航空航天、國防復(fù)合材料與柔性結(jié)�(gòu)器件的性能躍遷�
原文:https://doi.org/10.1002/adma.202502638

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