“壞拉鏈”理論解釋了碳纖維遇到的問題

材料牛注：碳纖維早已成為一種家喻戶曉，生產利用技術成熟的材料。萊斯大學的研究人員研究發現了消除碳纖維中缺陷結構以提升其性能的新方式，或將在未來得到廣泛應用。

科學家說，碳纖維這種材料加工業的支柱還可以表現出更好的性能。

研究人員發現，構成普通碳纖維的聚合物鏈在制造過程中有不對準的傾向，他們把這種缺陷比作拉鏈的錯位，而這種缺陷削弱了產品的性能。

萊斯大學理論物理學家Boris Yakobson的實驗室開始著手分析這些被忽視的缺陷，并提出了如何消除這些缺陷的建議。他們的成果發表在期刊Advanced Materials上。

早在19世紀，托馬斯·愛迪生就已經將碳纖維作為原型燈泡的電熱絲。然而，正式的工業發展直到19世紀50年代末才開始。碳纖維堅固，柔韌，導電，耐熱并且具有化學惰性，并已用于網球拍，自行車架和飛機，以及許多其他產品的制造。碳纖維也可以紡成輕質強韌的織物紗線。

Yakobson實驗室的研究科學家Evgeni Penev說：“盡管碳纖維應用技術已經成熟，但在低維納米碳這個新領域，仍然沒能很好地開發和利用正在迅速發展的新理論。”Evgeni Penev還是這篇論文的共同作者。

該團隊建立了計算機模型，以推斷在最廣泛使用的碳纖維制造過程中缺陷的長生。制造過程涉及加熱聚丙烯腈（PAN）。在1500攝氏度下，除了強鍵合的碳原子，產生的熱量可以燒掉所有其他物質，最終將它們變成基本的石墨烯納米帶，并且其特殊的排列方式可以防止納米帶輕易地嵌入到石墨烯典型的蜂窩晶格中。

材料科學和納米工程與化學教授Yakobson說，他在閱讀關于D環的RNA轉錄的生物學論文時，產生了這種纖維合成中的“錯誤輸入”的想法。他認為這種缺陷在PAN制作碳纖維的過程中也是不可避免的。 “在這之后我們進行了很多工作來確定它們在纖維環境中的位置和對機械性能的影響。”Yakobson說。

分子動力學模擬顯示，錯配可以打開各個聚合物鏈并重新形成D環。這些環成為限制碳纖維能力的主要因素；Yakobson和他的團隊將其減少了四分之一，并有效地將理論估計的纖維強度降低至更接近實驗觀察到的強度。

“對我來說，最有趣的部分是意識到D環缺陷使得非常大的Burgers矢量成為可能，這在3D材料中幾乎是不可能的，并且甚至是一個荒謬的想法。” 論文的第一作者，研究生Nitant Gupta說。Burgers矢量是由晶格中位錯引起的強度失真的量度。

令人驚訝的是，研究人員發現，當PAN鏈與纖維軸不對準時，盡管存在D環，但纖維的強度仍舊有增加。

研究人員還確定通過石墨烯納米帶而不是PAN開始，就可以完全避免D環的產生。根據模擬，D環是最可能引發裂紋的地方，因此盡可能多地消除它們將有益于纖維強度的提升。

Penev說：“除了細節上的工作，我們希望這項工作能在原子論建模層面上對相關領域都有所幫助。我們希望這將為那些在生產一線工作的人提供更多的價值，最終使更廣泛的大眾受益。

萊斯大學的校友，前博士后研究員Vasilii Artyukhov是該論文的共同作者。美國空軍科學研究辦公室資助了該研究。研究人員得到了由國家科學基金會支持，萊斯研究計算中心管理的DAVinCI超級計算機和Night Owls Time-Sharing?服務。該研究還與萊斯肯尼迪信息技術研究所合作。

原文鏈接：Bad ‘zipper’ explains trouble with carbon fibers。

文獻鏈接：Carbonization with Misfusion: Fundamental Limits of Carbon-Fiber Strength Revisited。

本文由編輯部劉萬春提供素材，時冰遙編譯，點我加入材料人編輯部。