清华魏飞：碳纳米管大突破，接近极限！

碳纳米管作为理论上*强的结构材料之一，其单根力学性能可达到百GPa级强度与TPa级模量。然而，这种*性能在宏观材料中的实现始终面临“尺度悖论”：宏观尺度的碳纳米管纤维或结构件，其强度远低于单根CNT的理论值，原因在于构成这些结构的纳米管普遍存在长度不足、排列不齐与结构缺陷，连接方式也往往依赖弱的剪切作用力。尽管已有多种策略尝试通过共价键修复或能量束焊接实现连接增强，但均存在结构损伤、成本高昂或操作复杂等难以工程化的瓶颈。

近日，清华大学魏飞教授团队联合提出并实验验证了一种基于TiO₂纳米粒子的范德华焊接方法（Van der Waals welding），*在常压、常温下实现了近乎不损伤结构的宏观CNT焊接，其接头强度接近单根CNT的理论极限，标志着碳纳米材料“从实验走向工程”的又一关键突破。

该技术基于快速化学气相沉积自组装（FCVDS）工艺，在几秒内即可将纳米级TiO₂颗粒精准沉积于CNT束的搭接区域，起到“纳米钎料”作用。不同于传统焊接对原子扩散或高温共价重构的依赖，该方法纯粹依靠范德华力与界面摩擦实现连接，因此能够避免因高能束照射或激发态生成而带来的管壁结构破坏。更重要的是，通过合理设计沉积参数与颗粒尺寸分布，仅需约1 wt%的“钎料”即可实现有效焊接，*大程度保留了CNT原有的低密度优势。这种轻量级焊接方式为未来碳纳米管在航天、军工、柔性结构材料等对比强度极端敏感的领域提供了切实可行的工程实现路径。

从连接原理来看，研究团队在“y型”CNT束模型中，通过拉曼位移分析与应力转移模型反演，*测量了TiO₂纳米粒子与CNT之间的有效剪切强度（4.16 pN/nm²），证实其来源于非共价作用力。这一结果不仅为后续焊接建模提供了力学参数支撑，也为异质界面相互作用研究打开了新的实验窗口。通过比较不同焊接结构方案（如头对头、搭接、多点分布等）并建立理论临界强度公式，研究进一步明确了“界面剪切破坏”而非“钎料破坏”是焊接失效的主导机制。这一认知不仅优化了焊接策略，更对今后1D纳米结构连接强度设计提供了普适性指导。

在实验验证方面，作者利用特定构型的CNT束进行焊接后，开展了基于悬臂梁的单根拉伸测试。测试样品多为毫米级尺度，有效规避了电子束引起的辐照缺陷，同时实现了加载过程中的轴向均匀受力。在一系列焊接样品中，超八成实现了“CNT本体断裂”而非界面滑脱，其平均破断强度达到116.8 ± 3.6 GPa，已无限接近单根CNT的理论值。这一结果不仅突破了长期困扰CNT工程应用的“强度瓶颈”，也刷新了当前纳米焊接领域的*高力学性能纪录。与此同时，研究还观察到个别样品发生界面滑移，并通过力—应变曲线呈现出典型的“静摩擦—动摩擦”过渡形态，这为后续焊接可靠性设计提供了关键的失效诊断指标。

值得注意的是，这一技术具备极高的工程可扩展性。TiO₂焊料来源广泛，FCVDS工艺无需高压或洁净条件，短时间沉积可精准控制颗粒尺寸与密度，具备大面积、常温操作能力。在控制TiCl₄水解路径、气流输送距离（δ）与环境湿度等变量后，研究人员实现了尺寸集中分布、可重复的焊接体系构建。例如，在湿度适中且沉积时间低于3秒的条件下，可形成粒径均匀、覆盖位置精准的“生物靶向式”焊接，这种“靶向沉积”能力有望拓展至柔性电子、纳米组装等高集成度制造场景。

在材料系统层面，这一范德华焊接策略突破了碳纳米结构连接方式的“物理极限”。相比传统的等离子体激活或电流迁移诱导焊接方式，这种“软连接”无需能量束输入，无需牺牲结构完整性，因而更适合多尺度、长距离纳米材料的工程集成。此外，TiO₂纳米颗粒尺寸可进一步缩小至10 nm以下，有望进一步降低钎料质量比。研究人员指出，在CNT长度超过半米的应用场景中，焊料质量比甚至可降至0.1 wt%以下，几乎不影响*终构件的比强度与结构稳定性。这为碳纳米管作为宏观载荷结构材料的工程落地提供了真正可行的连接方案。

综上所述，这项研究不仅提出了一种兼具强度保持、结构无损、重量控制与操作可行性的CNT焊接新技术，更从力学机制、参数模型到工程实验全面完成了对该策略的论证。其在实现碳纳米管力学性能“无损放大”的同时，为高强度纤维材料、柔性器件、极限结构件等应用提供了关键技术支撑。未来，若能将该方法与产业级CVD CNT宏量制备技术联动，有望推动高强碳纳米结构材料从实验室跨入产业端，赋能下一代航空航天、国防复合材料与柔性结构器件的性能跃迁。

原文：https://doi.org/10.1002/adma.202502638

本站部分内容属转载，版权归原作者所有，特此声明！如果侵犯了您的版权请来信告知，我们将尽快删除

相关新闻