“坏拉链”理论解释了碳纤维遇到的问题

材料牛注：碳纤维早已成为一种家喻户晓，生产利用技术成熟的材料。莱斯大学的研究人员研究发现了消除碳纤维中缺陷结构以提升其性能的新方式，或将在未来得到广泛应用。

科学家说，碳纤维这种材料加工业的支柱还可以表现出更好的性能。

研究人员发现，构成普通碳纤维的聚合物链在制造过程中有不对准的倾向，他们把这种缺陷比作拉链的错位，而这种缺陷削弱了产品的性能。

莱斯大学理论物理学家Boris Yakobson的实验室开始着手分析这些被忽视的缺陷，并提出了如何消除这些缺陷的建议。他们的成果发表在期刊Advanced Materials上。

早在19世纪，托马斯·爱迪生就已经将碳纤维作为原型灯泡的电热丝。然而，正式的工业发展直到19世纪50年代末才开始。碳纤维坚固，柔韧，导电，耐热并且具有化学惰性，并已用于网球拍，自行车架和飞机，以及许多其他产品的制造。碳纤维也可以纺成轻质强韧的织物纱线。

Yakobson实验室的研究科学家Evgeni Penev说：“尽管碳纤维应用技术已经成熟，但在低维纳米碳这个新领域，仍然没能很好地开发和利用正在迅速发展的新理论。”Evgeni Penev还是这篇论文的共同作者。

该团队建立了计算机模型，以推断在最广泛使用的碳纤维制造过程中缺陷的长生。制造过程涉及加热聚丙烯腈（PAN）。在1500摄氏度下，除了强键合的碳原子，产生的热量可以烧掉所有其他物质，最终将它们变成基本的石墨烯纳米带，并且其特殊的排列方式可以防止纳米带轻易地嵌入到石墨烯典型的蜂窝晶格中。

材料科学和纳米工程与化学教授Yakobson说，他在阅读关于D环的RNA转录的生物学论文时，产生了这种纤维合成中的“错误输入”的想法。他认为这种缺陷在PAN制作碳纤维的过程中也是不可避免的。 “在这之后我们进行了很多工作来确定它们在纤维环境中的位置和对机械性能的影响。”Yakobson说。

分子动力学模拟显示，错配可以打开各个聚合物链并重新形成D环。这些环成为限制碳纤维能力的主要因素；Yakobson和他的团队将其减少了四分之一，并有效地将理论估计的纤维强度降低至更接近实验观察到的强度。

“对我来说，最有趣的部分是意识到D环缺陷使得非常大的Burgers矢量成为可能，这在3D材料中几乎是不可能的，并且甚至是一个荒谬的想法。” 论文的第一作者，研究生Nitant Gupta说。Burgers矢量是由晶格中位错引起的强度失真的量度。

令人惊讶的是，研究人员发现，当PAN链与纤维轴不对准时，尽管存在D环，但纤维的强度仍旧有增加。

研究人员还确定通过石墨烯纳米带而不是PAN开始，就可以完全避免D环的产生。根据模拟，D环是最可能引发裂纹的地方，因此尽可能多地消除它们将有益于纤维强度的提升。

Penev说：“除了细节上的工作，我们希望这项工作能在原子论建模层面上对相关领域都有所帮助。我们希望这将为那些在生产一线工作的人提供更多的价值，最终使更广泛的大众受益。

莱斯大学的校友，前博士后研究员Vasilii Artyukhov是该论文的共同作者。美国空军科学研究办公室资助了该研究。研究人员得到了由国家科学基金会支持，莱斯研究计算中心管理的DAVinCI超级计算机和Night Owls Time-Sharing 服务。该研究还与莱斯肯尼迪信息技术研究所合作。

原文链接：Bad ‘zipper’ explains trouble with carbon fibers。

文献链接：Carbonization with Misfusion: Fundamental Limits of Carbon-Fiber Strength Revisited。

本文由编辑部刘万春提供素材，时冰遥编译，点我加入材料人编辑部。