摘要：碳纳米管作为已知强度最高的材料之一，其单壁结构的拉伸强度可达120 GPa，具有作为超强材料的应用潜力。但双壁碳纳米管（DWCNTs）因内外层间摩擦力较弱，在拉伸时易发生“剑鞘式断裂”，导致其有效强度仅为单壁碳纳米管的一半。
碳纳米管作为已知强度最高的材料之一，其单壁结构的拉伸强度可达120 GPa，具有作为超强材料的应用潜力。但双壁碳纳米管（DWCNTs）因内外层间摩擦力较弱，在拉伸时易发生“剑鞘式断裂”，导致其有效强度仅为单壁碳纳米管的一半。
近日，清华大学魏飞教授与李晓雁教授团队在双壁碳纳米管的动态强度与层间摩擦力研究上取得重大突破，在Advanced Materials期刊上发表了题为“Double-Walled Carbon Nanotubes with Dynamic Strength of over 90 GPa Enhanced by Intershell Friction”的研究论文。该研究表明，在高速冲击下双壁碳纳米管的动态强度会受到速度依赖型层间摩擦力影响而增强，最高达到90 GPa以上。文章第一作者为清华大学博士生岳鸿杰，通讯作者为清华大学化学工程系魏飞教授、清华大学航天航空学院李晓雁教授、国家纳米中心特别研究助理（清华大学化学工程系博士毕业生）白云祥。
碳纳米管是目前已知的强度最高的材料，单壁碳纳米管的拉伸强度高达120 GPa。然而对于制备较易的双壁碳纳米管而言，由于层间摩擦力较弱而表现出受到拉伸时外侧先断裂而后内层滑脱而出的“剑鞘断裂模式”，其有效拉伸强度仅为单壁碳纳米管的一半。过往研究中通常使用在电子显微镜下抽出双壁碳纳米管内层的方法测量层间摩擦力，其结果表明层间摩擦力仅有1 nN左右，但会随滑动速度的增加而线性增加。然而，由于电子显微镜下时间分辨率有限，对于滑动速度大于12 μm/s的层间摩擦力的数值与规律尚未有报道。
【基于光催化切断方法的层间摩擦力测量】
作者利用沉积在悬空双壁碳纳米管上的TiO2颗粒的光催化活性，开发了一种无接触式的光催化切断方法，定点切断双壁碳纳米管的外层，随后使用120,000 fps高速相机摄录内外层分离的滑动过程，实现了对最高接近1 m/s滑动速度下双壁碳纳米管层间摩擦力的高时空分辨率测量（图1）。视频1. 高速摄像机记录的光催化按与层间滑移过程。三组双壁碳纳米管试样的断裂行为以相同采样频率（120,000 帧/秒）采集，视频中175微秒时刻发生的结构断裂位点已用红色箭头标注。
实验结果表明：层间摩擦力随滑动速度呈线性增长趋势，其斜率与双壁管的层间距相关。当滑动速度达977 mm/s（对应剪切应变速率2.8×109-1）时，最大层间摩擦力达194.1±7.3 nN，与准静态条件下最外层断裂张力（~450 nN）具有相同量级。层间摩擦力-滑动速度的斜率与双壁碳纳米管的层间距离相关，同时 三个样品的层间摩擦力相对于剪切应变速率具有相同的规律（图2）。图2 速度线性依赖型的层间摩擦力。(a) 三个双壁碳纳米管样品的层间摩擦力随滑动速度变化规律。插图为层间摩擦力-滑动速度曲线斜率随层间距增大而减小的趋势。(b) 层间摩擦与剪切应变速率关系图。前期抽出实验结果被引入作为对比参照，虚线为本研究三组碳纳米管样品在双对数坐标系下的线性拟合结果。
【分子动力学模拟探寻速度依赖型摩擦力机制】
对双壁碳纳米管内外层滑动过程的分子动力学模拟（MD）结果指出，层间摩擦力的速度依赖行为与层间局部公度接触相关。在更高速度的滑动下，指示层间公度接触的全局配准指数（GRI）波动幅度更大，导致了更高的能量耗散（图3）。
图3 双壁碳纳米管层间滑移的分子动力学模拟。(a) 模拟计算所得(5,5)@(10,10)与(5,5)@(15,4)双壁碳纳米管的层间摩擦力随滑动速度演变规律。(b) 在105 mm·s⁻¹滑动速度下，上述两种双壁管层间滑动过程中全局配准指数(GRI)的动态演化。(c) (26,16)@(34,18)双壁管层间摩擦力随滑动速度变化趋势。(d) 不同滑动速度下，(26,16)@(34,18)双壁管层间滑动过程中的GRI演变特征。
视频2. (5,5)@(15,4)与(5,5)@(10,10)双壁管外管在1×10⁵ mm·s⁻¹滑动速度下局部配准指数(LRI)分布动态演变。(5,5)@(15,4)体系LRI云图沿周向呈现高值螺旋带分布特征，而(5,5)@(10,10)体系则表现出低值波动模式。
视频3. (26,16)@(34,18)双壁管外管在1×10⁴、4×10⁴、7×10⁴及1×10⁵ mm·s⁻¹滑动速度下的LRI分布演化。较高滑动速度条件下LRI波动显著加剧，视频回放速率已作标准化调节。
【双壁碳纳米管“层间锁定”致动态增强】
双壁碳纳米管在经受高速冲击或拉伸时，内外层会被速度依赖型的层间摩擦力相互锁定从而共同抵抗载荷，最终导致双壁碳纳米管的动态强度得到显著增强。将双壁碳纳米管的两壁一同考虑，其有效动态强度在应变速率为3300 s-1时达到90.1± 4.0 GPa，相较于准静态拉伸时增强了约25 GPa（图4）。图4 双壁碳纳米管的动态增强和与其他材料的对比有效动态强度与拉伸应变率的双对数关系图。插图为本实验双壁碳纳米管试样的有效动态强度随拉伸应变率变化规律，其中红色、紫色与蓝色虚线分别代表通过对相关数据进行拟合获得的动态强度-应变率幂律关系，其指数范围依次为：0.01~0.05（双壁碳纳米管）、0.02~0.11（碳纳米管纤维）及0.01~0.33（金属/合金）。
小结
研究者结合了实验与模拟结果揭示了双壁碳纳米管的内外层间摩擦力随滑动速度的变化规律，并说明了双壁碳纳米管在受到高速冲击时将表现出优异的动态拉伸强度（超过90 GPa）。基于速度依赖型层间摩擦力实现的动态强化效应，不仅为双壁碳纳米管作为超强动态材料的应用提供了实验证据支持，也为纳米尺度异常摩擦行为的深入研究开辟了新途径。
上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。
来源：高分子科学前沿