清華魏飛：碳納米管大突破，接近極限！

碳納米管作為理論上*強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料之一，其單根力學(xué)性能可達(dá)到百GPa級強(qiáng)度與TPa級模量。然而，這種*性能在宏觀材料中的實(shí)現(xiàn)始終面臨“尺度悖論”：宏觀尺度的碳納米管纖維或結(jié)構(gòu)件，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于單根CNT的理論值，原因在于構(gòu)成這些結(jié)構(gòu)的納米管普遍存在長度不足、排列不齊與結(jié)構(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(jià)鍵修復(fù)或能量束焊接實(shí)現(xiàn)連接增強(qiáng)，但均存在結(jié)構(gòu)損傷、成本高昂或操作復(fù)雜等難以工程化的瓶頸。

近日，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于TiO₂納米粒子的范德華焊接方法（Van der Waals welding），*在常壓、常溫下實(shí)現(xiàn)了近乎不損傷結(jié)構(gòu)的宏觀CNT焊接，其接頭強(qiáng)度接近單根CNT的理論極限，標(biāo)志著碳納米材料“從實(shí)驗(yàn)走向工程”的又一關(guān)鍵突破。

該技術(shù)基于快速化學(xué)氣相沉積自組裝（FCVDS）工藝，在幾秒內(nèi)即可將納米級TiO₂顆粒精準(zhǔn)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(kuò)散或高溫共價(jià)重構(gòu)的依賴，該方法純粹依靠范德華力與界面摩擦實(shí)現(xiàn)連接，因此能夠避免因高能束照射或激發(fā)態(tài)生成而帶來的管壁結(jié)構(gòu)破壞。更重要的是，通過合理設(shè)計(jì)沉積參數(shù)與顆粒尺寸分布，僅需約1 wt%的“釬料”即可實(shí)現(xiàn)有效焊接，*大程度保留了CNT原有的低密度優(yōu)勢。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)構(gòu)材料等對比強(qiáng)度極端敏感的領(lǐng)域提供了切實(shí)可行的工程實(shí)現(xiàn)路徑。

從連接原理來看，研究團(tuán)隊(duì)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TiO₂納米粒子與CNT之間的有效剪切強(qiáng)度（4.16 pN/nm²），證實(shí)其來源于非共價(jià)作用力。這一結(jié)果不僅為后續(xù)焊接建模提供了力學(xué)參數(shù)支撐，也為異質(zhì)界面相互作用研究打開了新的實(shí)驗(yàn)窗口。通過比較不同焊接結(jié)構(gòu)方案（如頭對頭、搭接、多點(diǎn)分布等）并建立理論臨界強(qiáng)度公式，研究進(jìn)一步明確了“界面剪切破壞”而非“釬料破壞”是焊接失效的主導(dǎo)機(jī)制。這一認(rèn)知不僅優(yōu)化了焊接策略，更對今后1D納米結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了普適性指導(dǎo)。

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，作者利用特定構(gòu)型的CNT束進(jìn)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(shí)實(shí)現(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(shí)現(xiàn)了“CNT本體斷裂”而非界面滑脫，其平均破斷強(qiáng)度達(dá)到116.8 ± 3.6 GPa，已無限接近單根CNT的理論值。這一結(jié)果不僅突破了長期困擾CNT工程應(yīng)用的“強(qiáng)度瓶頸”，也刷新了當(dāng)前納米焊接領(lǐng)域的*高力學(xué)性能紀(jì)錄。與此同時(shí)，研究還觀察到個(gè)別樣品發(fā)生界面滑移，并通過力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出典型的“靜摩擦—?jiǎng)幽Σ痢边^渡形態(tài)，這為后續(xù)焊接可靠性設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵的失效診斷指標(biāo)。

值得注意的是，這一技術(shù)具備極高的工程可擴(kuò)展性。TiO₂焊料來源廣泛，F(xiàn)CVDS工藝無需高壓或潔凈條件，短時(shí)間沉積可精準(zhǔn)控制顆粒尺寸與密度，具備大面積、常溫操作能力。在控制TiCl₄水解路徑、氣流輸送距離（δ）與環(huán)境濕度等變量后，研究人員實(shí)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(shí)間低于3秒的條件下，可形成粒徑均勻、覆蓋位置精準(zhǔn)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。

在材料系統(tǒng)層面，這一范德華焊接策略突破了碳納米結(jié)構(gòu)連接方式的“物理極限”。相比傳統(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，無需犧牲結(jié)構(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，TiO₂納米顆粒尺寸可進(jìn)一步縮小至10 nm以下，有望進(jìn)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)量比甚至可降至0.1 wt%以下，幾乎不影響*終構(gòu)件的比強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這為碳納米管作為宏觀載荷結(jié)構(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(xiàng)研究不僅提出了一種兼具強(qiáng)度保持、結(jié)構(gòu)無損、重量控制與操作可行性的CNT焊接新技術(shù)，更從力學(xué)機(jī)制、參數(shù)模型到工程實(shí)驗(yàn)全面完成了對該策略的論證。其在實(shí)現(xiàn)碳納米管力學(xué)性能“無損放大”的同時(shí)，為高強(qiáng)度纖維材料、柔性器件、極限結(jié)構(gòu)件等應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。未來，若能將該方法與產(chǎn)業(yè)級CVD CNT宏量制備技術(shù)聯(lián)動(dòng)，有望推動(dòng)高強(qiáng)碳納米結(jié)構(gòu)材料從實(shí)驗(yàn)室跨入產(chǎn)業(yè)端，賦能下一代航空航天、國防復(fù)合材料與柔性結(jié)構(gòu)器件的性能躍遷。

原文：https://doi.org/10.1002/adma.202502638