理论上，碳纳米管（CNT）是有史以来发现的最坚固、最坚硬的材料。 单根无缺陷的碳纳米管的拉伸强度估计高达100吉帕（GPa），杨氏模量（衡量刚度的指标）超过1太帕（TPa）。作为参考，这使得它们在仅有钢材六分之一重量的情况下，强度却高出约100倍。
碳纳米管无与伦比的强度存在于单个分子层面。主要的工程挑战不在于纳米管本身，而在于如何将这种纳米尺度的特性转化为宏观材料，因为管与管之间的弱点会急剧降低整体强度。
是什么让碳纳米管如此坚固？
CNT卓越的机械性能并非魔术；它们直接来源于其独特的原子结构和化学键的基本物理原理。
sp²键的威力
碳纳米管的壁本质上是一张卷曲的石墨烯薄片，石墨烯是碳原子的一层单原子厚度的晶格。这些原子通过sp²共价键连接，共价键是自然界中最强、最稳定的化学键之一。这种坚固的六角形晶格赋予了CNT固有的强度。
近乎完美的原子结构
在像钢铁这样的宏观材料中，强度通常受限于微观缺陷、位错或晶界的存在。高质量的单壁碳纳米管是一个具有近乎完美原子排列的单个分子，几乎没有可以引发断裂的薄弱点。
刚度与强度
区分两个关键指标很重要：
- 杨氏模量（刚度）： 它衡量材料抵抗弹性变形的能力。由于模量约为1 TPa，CNT具有极高的刚性并抵抗拉伸。
- 拉伸强度（强度）： 它衡量材料在断裂前能承受的最大应力。高达100 GPa的理论值意味着要真正打破管中的共价键需要巨大的力。
关键的鸿沟：理论与现实
虽然单根纳米管的数值惊人，但这些特性并不会自动转移到我们可以拿在手中的材料上。这种脱节是CNT应用中的主要障碍。
单个管与块状材料
创纪录的强度值是针对在实验室条件下测得的单个、通常较短的纳米管。像由CNT纺成的纤维这样的实际材料，由数万亿根管子组合而成。因此，整体强度由系统中最薄弱的环节决定。
“滑动”问题
将相邻的纳米管束缚在一起的力是范德华力。与管子内部的共价键相比，这些力极其微弱。当你拉动CNT纤维时，管子几乎总是在它们本身实际断裂之前就相互滑动。这种滑动是主要的失效模式。
缺陷的必然性
用于大规模生产CNT的合成方法不可避免地会在原子结构中产生缺陷（例如，空位、不同的环尺寸）。这些缺陷充当应力集中点，与完美管的理论最大值相比，极大地降低了实际断裂强度。
分散的挑战
当用作添加剂以制造复合材料（例如，在聚合物或金属基体中）时，CNT由于相同的范德华力而倾向于聚集在一起。这些团聚体充当宿主材料中的缺陷，通常会削弱复合材料而不是增强它。实现均匀、良好粘合的分散是一个重大的制造挑战。
根据目标做出正确的选择
有效应用CNT的强度需要理解您的应用是依赖于单个管的特性还是集体结构的特性。
- 如果您的主要重点是制造超强块状材料（例如，纤维或片材）： 您的主要工程挑战是改善管间粘附力和对齐性，以防止滑动并最大化管之间的载荷传递。
- 如果您的主要重点是增强复合材料（例如，CNT-环氧树脂）： 关键是实现均匀分散，并在CNT表面与宿主基体材料之间建立牢固的化学键。
- 如果您的主要重点是纳米机电系统（NEMS）： 您可以更直接地利用单个管作为结构元件的特性，使它们的理论强度更容易实现。
要利用碳纳米管的全部潜力，需要将重点从管子固有的强度转移到连接它们的界面的工程设计上。
摘要表：
| 特性 | 理论值 | 现实挑战 |
|---|---|---|
| 拉伸强度 | 高达100 GPa | 因管子滑动和缺陷而减弱 |
| 杨氏模量 | ~1 TPa | 受限于管间微弱的范德华力 |
| 强度重量比 | 比钢强约100倍 | 难以转化为块状材料 |
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