[论文解读] Condensed Multiwalled Carbon Nanotubes as Super Fibers

Zhiping Xu, Lifeng Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2006

Carbon Nanotubes in Composites被引用 22

一句话总结

本文提出了一种压缩层间间距的致密多壁碳纳米管（CMWNTs），通过将层间间距压缩，使层间剪切强度显著提高几个数量级，从而实现优异的抗拉强度和弹性模量。原子尺度模拟证实，CMWNTs 在高达 2,000 K 的温度下仍保持结构稳定性，被提议作为太空电梯和高性能复合材料的理想超级纤维。

ABSTRACT

The ultra-low intershell shear strength in carbon nanotubes (CNTs) has been the primary obstacle to applications of CNTs as mechanical reinforcements. In this paper we propose a new CNT-system composed of comprising of coaxial cylindrical shells of sp2-bonded carbons with condensed intershell spacings. Our atomistic calculations show that such condensed multiwalled carbon nanotubes (CMWNTs) can greatly enhance intershell shear strengths by several orders, and can simultaneously generate higher tensile strengths and moduli respectively than those of ordinary CNTs. It has further shown that CMWNTs can maintain thermally stable up to 2,000 K. By taking advantage of the primary enhancement mechanism of CMWNTs, a method of producing CMWNTs is therefore proposed tentatively. It is believed that CMWNTs featured with those properties can be taken as excellent candidates of super fibers for creating space elevators.

研究动机与目标

• 解决传统多壁碳纳米管（MWNTs）中层间剪切强度极低这一关键限制，该问题阻碍了壳层间的有效载荷传递。
• 克服碳纳米管在承载应用中理论潜力与实验性能之间的差距，特别是在太空电梯缆绳中的应用。
• 开发一种新型碳纳米管结构——致密多壁碳纳米管（CMWNTs），通过压缩层间间距显著提升其力学性能。
• 提出一种可行的规模化生产方法，即通过电子束辐照与退火工艺实现 CMWNTs 的制备。
• 证明 CMWNTs 可实现超过 48.5 GPa 的比抗拉强度，满足太空电梯缆绳的严苛要求。

提出的方法

• 采用分子动力学与第一性原理计算进行原子尺度模拟，评估层间间距从 0.34 nm 降低至 0.22–0.28 nm 的 CMWNTs 的力学性能。
• 采用指数依赖关系模型描述层间剪切强度：对于扶手型管，τ(s) = A exp(B(0.353 - s))；对于手性管，τ(s) = A exp(B(0.341 - s))，其中 s 为层间间距。
• 通过分析周向力（N_i）与层间压力（p_{i-1,i}, p_{i,i+1}）之间的力平衡，解释致密结构的机械稳定性机制。
• 在正则系综条件下模拟高温下的热稳定性，最高达 3,000 K，以评估结构完整性和相变行为。
• 研究辐照-重构过程：在约 600 °C 下使用电子束辐照诱导富勒烯中产生缺陷与空位，随后通过退火驱动周向收缩与层间压缩。
• 比较扶手型与手性双壁管之间的匹配性效应，评估手性在剪切强度增强中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 将多壁碳纳米管的层间间距减小，是否能显著提升其层间剪切强度与抗拉性能？
• RQ2 层间间距压缩如何影响多壁碳纳米管的机械稳定性和载荷传递效率？
• RQ3 致密多壁碳纳米管在高温条件下的热稳定性极限是多少？
• RQ4 手性是否显著影响致密碳纳米管中层间剪切强度的增强？
• RQ5 辐照-重构过程是否可作为一种可扩展的致密多壁碳纳米管生产方法？

主要发现

• 将层间间距压缩至 0.22–0.28 nm 的 CMWNTs，其层间剪切强度相比传统 MWNTs（剪切强度约为 0.3–0.66 MPa）显著提高几个数量级。
• CMWNTs 的层间剪切强度与间距呈指数依赖关系，扶手型管为 τ(s) = 0.0421 exp(53.79(0.353 - s)) GPa，手性管为 τ(s) = 0.000469 exp(95.08(0.341 - s)) GPa。
• CMWNTs 在高达 2,000 K 下保持结构稳定性；超过该温度后，最内层 (5,0) 壳层转变为 sp³ 键合的金刚石纳米线，而在 3,000 K 时，双壁核心 (5,0)@(11,0) 完全转化为金刚石纳米线。
• 辐照-重构过程——在约 600 °C 下进行电子束辐照，随后退火——可诱导缺陷介导的收缩并实现层间压缩，为 CMWNTs 的规模化生产提供可能。
• 手性对剪切强度增强的影响极小：尽管普通扶手型与手性双壁管之间剪切强度相差两个数量级，但层间距约为 0.22 nm 的致密 CMWNTs 展现出几乎相等的强度。
• 对两至五层 CMWNTs 的能量优化构型分析表明，移除内层壳体不会显著提升层间强度，证实核心机制在于层间压缩，而非壳层数量。