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摘要
中国科学技术大学王鹏飞团队提出了一种多层复合结构的螺旋优化设计策略，用于调控延性和脆性材料在复合结构中的协同断裂行为，并揭示了螺旋碳纳米管纤维人工肌肉的内在驱动机理。
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螺旋结构作为一种常见的材料的组装形式，广泛存在于自然界与人造结构中，例如DNA双螺旋结构、攀藤植物的藤蔓、蛛丝、布利冈结构、层级螺旋碳纳米管纤维人工肌肉以及钢缆等。近年来，加捻螺旋在新材料的力学性能调控、复合结构的协同增韧以及高性能人工肌肉驱动器等领域得到了广泛应用。尽管螺旋纤维结构沿轴向通常呈现周期性排列，但其径向几何结构相对复杂，导致了纤维复杂的层间相互作用以及不协调的层间变形。碳纳米管纤维由数百万个纳米尺度的碳纳米管组成，展现出更复杂的结构演化及层间相互作用的依赖性。因此，建立通用的多层螺旋结构力学模型，有助于理解螺旋结构的微观结构演化，并为复合结构的加捻优化设计提供指导。近期，中国科学技术大学王鹏飞团队对多层螺旋纤维结构进行了力学建模，探索了多层螺旋结构的层间相互作用及其微结构演化（见图1）。研究发现拉伸过程中外层螺旋结构的变形始终小于内层，基于这一理论，研究团队实现了延性和脆性材料的螺旋优化设计，并揭示了螺旋人工肌肉的内在驱动机制。相关研究成果发表在《Carbon》期刊上（DOI: 10.1016/j.carbon.2024.119441）。理论模型和有限元模拟的结果均表明，当螺旋纤维的捻角足够大时，外层螺旋单丝在拉伸过程中会与内层结构发生分离。原位扫描电镜实验验证了这一结论的正确性（见图2）。在大捻角的层级螺旋碳纳米管纤维中，碳纳米管束界面的范德华力作用能够抑制由于层间不协调变形引起的分离现象，并产生拉伸-扭转耦合运动，这可能是纤维驱动器的内在制动机理。此外，文中的理论模型还被推广应用于由脆性碳纳米管纤维（断裂应变约为3%）与延性铜纤维（断裂应变约为30%）构成的复合结构设计，通过调控复合结构中脆性碳纳米管纤维的螺旋角，可以改变两种纤维在拉伸过程中的断裂顺序（见图3），并可以对不同韧脆特性和几何构型的材料进行螺旋优化设计（见图4）。
图1. 多层螺旋纤维中各层（a）捻角和（b）应变随纤维应变的变化关系
图2. （a）不同螺旋角的纤维最外层单丝伸长量与纤维伸长量之间的关系；（b）碳纳米管纤维缠绕在铜纤维的表面（螺旋角θ=77°）；（c）拉伸过程中碳纳米管纤维与铜纤维界面分离。
图3. 通过螺旋角调控由延性铜纤维和脆性碳纳米管纤维组成的复合结构在拉伸过程中的断裂顺序。（a）两种纤维同时断裂；（b）脆性碳纳米管纤维先断裂；（c）延性铜纤维先断裂。
图4. 不同（a）材料和（b）几何参数的复合纤维结构的最优螺旋角设计。
文章信息
Synergistic ductility deformation and helical design of carbon nanotube fiber composites
Yangfan Wu, Pengfei Wang*，Deya Wang, Lehu Bu, Jie Tian, Gengzhi Sun, Songlin Xu
Carbon
DOI: 10.1016/j.carbon.2024.119441
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