碳纳米管薄膜是由无序多壁碳纳米管自组装形成的无序网络结构材料。冲击加载下，通过碳纳米管单体-界面-网络的相互作用，展现出优异的吸能能力，在高性能防护领域具有重要的应用价值。传统主要通过减少碳管的缺陷来提升薄膜的性能。近期，中国科学院力学研究所吴先前研究员与合作者研究了缺陷及界面强度对碳纳米管薄膜冲击防护性能的影响机制，发现引入缺陷和界面强化能大幅提升材料的冲击吸能能力。研究工作深化了对碳纳米管薄膜缺陷的传统认知，为高性能冲击防护材料设计提供了新的理论依据和技术方向。
近年来，中国科学院力学研究所吴先前研究员团队在微纳尺度冲击动力学方向开展了系列研究工作，建立了微纳尺度冲击动力学实验方法，揭示了微纳尺度冲击下材料的耗能机制，提出并验证了微纳尺度冲击相似律，发展了高性能防护材料设计方案。近期，团队聚焦于碳纳米管薄膜的微结构力学设计与性能优化，通过引入原子尺度缺陷和界面强化效应，合理调控碳纳米管单体-界面-网络的相互作用，大幅提升了碳纳米管薄膜的冲击吸能能力。相关研究成果以“Load sharing and accumulated bond fracture in ion-irradiated carbon mat for energy dissipation”为题发表在Science Advances。
研究团队首先通过高能碳离子辐照碳纳米管薄膜，在碳管中引入大量分布的原子尺度缺陷，虽然降低了单根碳管管壁的强度和失效应变，但是大幅提升了材料的冲击防护性能，使碳纳米管薄膜的冲击比吸能达到26 MJ/kg，突破了现有薄膜的比吸能记录（图1）。辐照后的碳纳米管薄膜由于界面强度的提升，加强了碳管间的相互作用，而展现出更大的失效面积。
图1 碳纳米管薄膜的动态力学性能。（A）245 nm厚的原始薄膜和离子辐照薄膜的比吸能与冲击速度的关系。（B）和（C）原始薄膜和离子辐照（1013 ions/cm2）薄膜侵彻面（90o视角）和背面（38o视角）的SEM图像，在约650 m/s的冲击速度下展现出不同的破坏形态和破坏程度。橙色虚线圆圈代表微弹丸。
为揭示碳纳米管薄膜的冲击耗能机制，研究团队开展了强激光驱动的微弹道冲击实验，系统研究了改性薄膜的侵彻动力学行为（图2）。结果表明，碳离子辐照在碳管上产生大量分布的sp2缺陷，降低了单根碳管的强度；同时在碳管各壁面及碳管之间形成sp3键，显著增强了碳管各壁面及碳管之间的协同承载能力。在冲击过程中，碳管各壁面之间的sp3键使多壁碳管从传统的“Sword in Sheath”转变为协同断裂失效模式，充分发挥了碳管各壁的承载能力；且由于碳管上sp2缺陷的引入，形成更多的断裂路径来耗散能量。而碳管之间的sp3键显著提升了管间的界面强度，从而提高了碳管间的剪切能量耗散。与此同时，碳管间界面的提升，也使碳管网络的宏观耗能模式从弯曲主导向弯曲和拉伸共同主导的转变，打开了更多的耗能通道。基于以上缺陷诱导的碳管-界面-网络的协同作用机制，使碳纳米管薄膜的比吸能达到26 MJ/kg，突破了现有薄膜材料的比吸能极限（~12 MJ/kg）。研究工作深化了对材料缺陷的传统认知，为高性能冲击防护材料设计提供了新的理论依据和技术方向。
图2 薄膜变形形貌特征以及碳管内及碳管间键和缺陷的形成示意图。（A）原始多壁碳纳米管薄膜侵彻后的横截面。（B）离子辐照碳纳米管薄膜上部和下部大面积区域的回弹变形。红圈表示碳管和碳管束的断裂。（C）从原子尺度观察碳管内及碳管间的sp3键合（紫色），以及离子辐照和机械加载引入的sp2缺陷与失效特征。
中国科学院力学研究所博士毕业生/特别研究助理、Texas A&M University博士后肖凯璐为论文第一作者，中国科学院力学研究所吴先前研究员与Texas A&M University的Edwin L. Thomas教授为共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金委重点项目等联合资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adq3805
审核：力学家
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