碳纳米管具有卓越的力学性能，有望利用其开发高性能纤维材料。然而，由于强范德华吸引力，碳纳米管容易形成团聚，并且其尺度较小、取向不均匀，沿轴向的优异力学性能很难得到充分利用。因此，有必要开发有效的方法来组装大规模碳纳米管，以实现类似于连续长纤维的力学性能。其中，碳纳米管阵列纺丝被认为是有效的方法之一。在制作中常使用扭转致密化技术，减轻管间滑移。然而，扭转并不利于碳纳米管束的整体力学性能。因此，在优化碳纳米管相互作用和碳纳米管束整体力学性能之间存在权衡。为解决上述问题，本文采用分子动力学模拟的方法，研究了不同扭转角度下碳纳米管束的力学行为，重点关注碳纳米管束的拉伸性能、失效模式和管间滑移行为。
碳纳米管束(CNT束)的初始模型由一束19根平行排列的单壁碳纳米管(SWCNT)组成。由于范德华力的存在，CNT 束倾向于形成密集的六方堆叠结构，如图1(a)所示。管束的横截面由一根中心CNT、第一层的6根CNT和第二层的12根CNT组成，纤维表面扭转角定义为表面CNT的排列方向与CNT束轴之间的角度，如图1(b)所示。经扭转后的CNT束的模型详细信息如表1所示。
经过平衡和拉伸模拟后，得到了CNT束的应力应变关系，如图2所示。其中，应力-应变关系明显表现出四个阶段，包括线性阶段(阶段1)、平稳阶段(阶段2)、强化阶段(阶段3)和断裂阶段(阶段4)。随着扭转角度的增加，不同长度CNT束的拉伸强度呈现下降趋势。相比于未扭转的情况，10°扭转使断裂强度略有下降，但最大强度仍达到70.80 GPa，表明10°的扭转角度并未显著削弱CNT束的拉伸强度。相反，20°扭转使断裂强度明显降低，归因于过度扭转导致CNT束力学性能的损失。
图2 . (a) 具有不同扭转角度和管束长度的CNT束的应力-应变关系演变；(b)-(d) 0°、10°和20°扭转角度对不同长度CNT束应力-应变关系的影响
同时，表征了各个模型杨氏模量、拉伸强度和断裂应变的变化，如表2所示。与未扭转的CNT束相比，扭转角度为10°的CNT束的杨氏模量没有经历明显的劣化，在扭转角为20°的情况下，观察到杨氏模量的明显降低。另外，观察到断裂应变和扭转角度之间存在相关性。在相同长度的CNT束中，在扭转角为0°的CNT束中观察到最高断裂应变，而在扭转角为20°的CNT束中观察到最低断裂应变。
(3) 失效模式
图3(a)展示了扭转角为0°的非扭转CNT束的失效模式，表现出明显的滑移行为。首先观察到单根 CNT 在A点的断裂，其中初始断裂从第 2 层CNT开始，逐渐传递到第 1 层，最后传递到中心CNT。断裂位点沿着CNT束的长度方向随机分布，并在管束中观察到明显的空隙，这是由于中心CNT和第 1 层CNT失效，仅在第 2 层留下少量CNT承受拉应力。图3(c)展示了扭转角为10°的CNT束的失效模式，表现出减轻的滑移行为。观察到CNT的断裂从第2层进行，随后第 1 层和中心 CNT逐渐断裂。当外层CNT受到破坏时，大部分内部CNT保持未断裂并继续承受拉应力，这使得CNT束具有良好的延性。这是由于扭转的束增强了管间的相互作用，使它们能够共同承受拉伸载荷。图3(e)展示了扭转角为20°的CNT束的失效模式，几乎没有发生管间滑移，CNT都在H位点断裂，这表明束的失效主要是CNT的拉伸断裂而不是管间滑移行为。在拉伸过程中，内部CNT在小应变变化下几乎同时断裂，完全丧失承受拉应力的能力，CNT束的承载能力迅速减弱，大大增加了脆性断裂的风险。
图3. 具有不同扭转角度的 CNT 束失效模式：(a)、(c) 和 (e) 显示了 CNT 束在拉伸变形下的失效模式；(b)、(d) 和 (f) 显示了接近完全失效结束时管束中受力的CNT
从CNT束中拉出中心CNT、第1层CNT和第2层CNT的拉力如图4所示。对于未扭转的 CNT 束，不同层的 CNT 表现出一定的拉拔力，表明CNT的贡献在各层之间是一致的。随着扭转角度的增加，CNT在第1层和第2层的拉拔力呈现出明显的增加趋势。在10°和20°扭转下，从第1层拉出CNT的拉拔力分别增加了10.26%和24.51%，而从第2层拉出CNT的拉拔力则增加了分别增加了 18.28% 和 55.79%。另外，扭转对第 2 层的CNT影响最显著。
图4 . 从扭转角度为 0°、10° 和 20° 的 CNT 束中拉出 (a) 中心 CNT、(b) 第1层CNT 和 (c)第2层的 CNT 的拉力
综上所述，扭转的碳纳米管束具有增强的层管间的载荷传递能力，从而改善了拉伸失效模式并调节了层管间的滑移行为。随着扭转角度的增加，最大拉拔力增加。当进行 20° 扭转时，碳纳米管束表现出脆性破坏模式，并且断裂强度显著降低，而10°扭转相对保证了结构的整体性。本文揭示了扭转碳纳米管对控制管间滑移和提高管束整体性能的机制，对开发高性能碳纤维具有重要意义。
审核 | 谭力豪
