碳纳米管（CNT）纤维力学性能提升：取向调控与重氮化诱导交联的协同作用

针对碳纳米管（CNT）纤维因范德华力主导管间作用致拉伸强度难最大化的问题，研究人员结合拉伸取向调控与重氮化两步法交联开展研究。发现拉伸比 15 时，交联 CNT 纤维比强度达 4.73 GPa/(g/cm3)、比刚度 257.9 GPa/(g/cm3)，为高性能 CNT 纤维制备提供新路径。

　　

在材料科学的前沿探索中，高性能纤维材料始终是研究者们竞相攻克的高地。碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）因其独特的纳米结构和优异的力学性能，被视作下一代高性能材料的 “明日之星”。然而，这位 “潜力股” 却面临着一个棘手的瓶颈：尽管传统取向增强技术能改善纳米管的排列方向，但管间相互作用主要由微弱的范德华力主导，这使得 CNT 纤维的拉伸强度难以实现质的飞跃。就像一堆紧密排列却仅靠细线捆绑的筷子，看似整齐却难以承受强大的拉力。如何让 CNT 纤维突破这一局限，在航空航天、空间结构等对材料强度和刚度要求苛刻的领域大显身手，成为材料领域亟待解决的重要课题。

为了破解这一难题，韩国国家研究基金会（National Research Foundation of Korea）资助的研究团队开展了一项富有创新性的研究。他们将目光聚焦于 “取向调控” 与 “共价交联” 的协同效应，试图通过两者的强强联合，为 CNT 纤维的力学性能提升打开新的局面。这项研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为 CNT 纤维的实用化进程添上了浓墨重彩的一笔。

研究人员采用的关键技术方法主要包括以下几个方面：首先是 CNT 气凝胶的合成，通过将氩气、氢气、甲烷、二茂铁和噻吩的混合气体注入垂直加热炉（1200°C）制备 CNT 气凝胶；其次是纤维纺丝过程中的拉伸比控制，将疏水 CNT 气凝胶经水浴成纤后，以 1 至 15 的不同拉伸比进行卷绕；最后是重氮化两步法交联，先通过重氮化引入羧基，再利用二胺诱导交联。

拉伸比调控对 CNT 纤维结构的影响

CNT 纤维由数十至数百根单壁 CNT 聚集形成的管束组成。管束内 CNT 通过强范德华力紧密堆积，但管束间距离达数纳米至数十纳米，相互作用较弱。研究通过拉曼光谱和截面抛光分析发现，随着拉伸比增加，CNT 纤维的取向度和堆积密度显著提升。高拉伸比使 CNT 管束排列更规整，为后续交联反应提供了更有序的结构基础。

重氮化交联对力学性能的强化作用

在未使用超强酸的情况下，研究采用重氮化两步法诱导 CNT 管束间共价交联。结果表明，交联显著增强了管束间相互作用。当拉伸比为 15 时，交联 CNT 纤维的比强度达到 4.73 GPa/(g/cm3)，比刚度提升至 257.9 GPa/(g/cm3)，这两项指标均跻身已报道的交联 CNT 纤维最高值之列。值得注意的是，拉伸比越高，交联带来的强度提升越显著，印证了高取向度和高密度结构能促进更有效的共价键形成。

协同效应的机制解析

取向调控与共价交联的协同作用体现在两个层面：一方面，拉伸诱导的高取向结构使 CNT 纤维在交联前就具备更强的初始强度；另一方面，规整紧密的排列方式增加了 CNT 管束间的接触面积，使重氮化反应能够更高效地形成共价键，从而大幅提升载荷传递效率。这种 “结构优化 + 化学键强化” 的双重策略，打破了单一取向调控的局限性，为 CNT 纤维力学性能的提升开辟了新路径。

这项研究通过巧妙的实验设计和严谨的数据分析，揭示了取向调控与共价交联在提升 CNT 纤维力学性能中的协同机制。其核心结论表明，通过拉伸比优化实现 CNT 高取向排列，结合重氮化诱导的管束间共价交联，可显著提高纤维的比强度和比刚度，且两者的协同效应随拉伸比增加而增强。这一发现不仅从理论上深化了对 CNT 纤维增强机制的认识，更在实践中提供了一种可规模化制备高强度、高刚度 CNT 纤维的新方法，为其在航空航天、空间结构等极端环境下的应用奠定了坚实基础。随着后续研究的不断深入，CNT 纤维有望在先进复合材料领域掀起一场新的材料革命，让 “纳米力量” 在宏观世界中发挥出前所未有的巨大能量。