日本科学技术署 纳米管拉伸强度的经验等高线图
六边形上的每对整数(n，m)代表纳米管结构
纳米管结构大致分为三类(右图)
左图显示了拉伸试验中纳米管断裂的时刻
？学分:名古屋大学 单壁碳纳米管理论上应该非常坚固，但是仍然不清楚为什么它们的实验拉伸强度较低，并且在纳米管之间有所不同
名古屋大学、京都大学和爱知理工学院的一个团队直接测量了单个结构定义的单壁碳纳米管的拉伸强度，揭示了它们的结构和强度之间关系的关键见解
碳纳米管因其出色的理论单位重量强度而被预测为改变游戏规则的结构材料(图
1a)
他们甚至鼓励建造太空电梯，而使用其他现有材料是不可能的
碳纳米管具有多种结构，具有不同的碳原子排列
根据同心层的数量，碳纳米管分为单壁或多壁纳米管(图
1b)
另外，同心层的结构由直径和手征角(图1c)或一对称为手征指数的整数(n，m)指定
由于选择性合成单一结构纳米管的困难，对其机械性能的系统研究需要确定每个样品纳米管的结构
然而，由于它们的纳米级尺寸和处理它们的困难，还没有实现“结构限定的”单壁碳纳米管的拉伸测试
先前的研究表明，包括多壁和结构不确定的单壁碳纳米管在内的真实碳纳米管的拉伸强度通常低于理想情况
此外，测量样品之间的强度差异很大
这种散射对于它们在宏观结构材料中的实际应用提出了一个关键问题，例如由许多碳纳米管组成的纱线，因为它们的断裂将从最弱的纳米管开始
缺乏对结构相关性的系统实验研究长期以来模糊了真实碳纳米管的断裂机理，因此阻碍了具有理想强度重量比的宏观结构材料的发展
碳纳米管
与典型结构材料相比，单壁碳纳米管的理论(红色)和实验(蓝色和黄色，分别代表本研究中获得的最小值和最大值)强度重量比
碳纳米管的分类
学分:名古屋大学 一个由物理学家、化学家和机械工程师组成的团队为结构明确的单壁碳纳米管(以下简称纳米管)的拉伸试验设计了实验方案
通过环境酒精化学气相沉积法在微米级开口狭缝上合成单个纳米管(图
2a)
宽带瑞利散射光谱用于确定纳米管结构(图
2b)
然后，用微叉拾取单个结构定义的纳米管(图
2c)，并转移到自制的微机电系统器件上(图
2d)
每个单独的纳米管被悬挂并保持在一对样品台之间，该样品台分别连接到用于直接力测量和单轴张力施加的微型测压元件和致动器(图
2d)
图2e示出了在拉伸加载过程中纳米管断裂时的图像
根据胡克定律，该力直接由装有微型弹簧的称重传感器平台的测量位移来评估
该团队成功测量了16种结构明确的纳米管的拉伸强度
图3a总结了测得的纳米管极限拉伸强度的结构依赖性
强度似乎取决于手征角度(图
3b)和直径(图
3c)的纳米管
拉伸强度测量的实验程序
在开口狭缝上直接合成的单个纳米管
用于手性结构分配的三种纳米管的宽带瑞利散射光谱
使用微叉拾取单个纳米管
在微机电系统器件上设置纳米管
e拉伸试验中纳米管断裂时拍摄的图像
黑色箭头表示致动器载物台移动的方向
图3
极限抗拉强度的结构相关性
(n，m)纳米管的抗拉强度用直径来表示
拉伸强度是手征角和直径的函数
图4
极限抗拉强度与结构之间的明确关系
θ和d分别是手征角度和直径
f(θ)是考虑碳-碳键有效应力的因素
d的平方根依赖性考虑了结构缺陷处的应力集中
学分:名古屋大学 该小组通过考虑碳-碳键的方向与结构缺陷处的拉伸载荷和应力集中的方向，发现了强度和结构之间的明确关系
此外，该团队开发了一个经验公式来预测真正的纳米管的强度
这个经验公式提供了最有利的纳米管结构，应该有选择地合成最强的材料(内容的顶部)
幸运的是，所建议的纳米管结构类型没有受到很好的限制
尽管仍然存在许多严重的问题，包括无缺陷纳米管的结构选择性合成、长纳米管的生长以及制造保持其强度的绳索，但这一发现为开发用于建造最安全、最省油的运输设备或大型建筑结构的超强超轻材料提供了一个基本的见解
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