碳纳米管作为已知强度最高的材料之一，其单壁结构的拉伸强度可达
120 GPa
，具有作为超强材料的应用潜力。但双壁碳纳米管（
DWCNTs
）因内外层间摩擦力较弱，在拉伸时易发生“剑鞘式断裂”，导致其有效强度仅为单壁碳纳米管的一半。
近日，
清华大学
魏飞教授
与
李晓雁教授
团队
在双壁碳纳米管的动态强度与层间摩擦力研究上取得重大突破
，在
Advanced Materials
期刊上发表了题为“
Double-Walled Carbon Nanotubes with Dynamic Strength of over 90 GPa Enhanced by Intershell Friction
”的研究论文。该研究表明，在
高速冲击下双壁碳纳米管的动态强度会受到速度依赖型层间摩擦力影响而增强，最高达到
90 GPa
以上。
文章第一作者为清华大学博士生岳鸿杰，通讯作者为清华大学化学工程系魏飞教授、清华大学航天航空学院李晓雁教授、国家纳米中心特别研究助理（清华大学化学工程系博士毕业生）白云祥。
碳纳米管是目前已知的强度最高的材料，
单壁碳纳米管的拉伸强度高达
120 GPa
。然而对于制备较易的双壁碳纳米管而言，由于层间摩擦力较弱而表现出受到拉伸时外侧先断裂而后内层滑脱而出的“剑鞘断裂模式”，
其有效拉伸强度仅为单壁碳纳米管的一半
。过往研究中通常使用在电子显微镜下抽出双壁碳纳米管内层的方法测量层间摩擦力，其结果表明
层间摩擦力仅有
1 nN
左右
，但会随滑动速度的增加而线性增加。然而，由于电子显微镜下时间分辨率有限，对于
滑动速度大于
12
μm/
s
的层间摩擦力的数值与规律尚未有报道
。
【基于光催化切断方法的层间摩擦力测量】
作者利用沉积在悬空双壁碳纳米管上的
TiO
2
颗粒的光催化活性，
开发了一种无接触式的光催化切断方法
，定点切断双壁碳纳米管的外层，随后使用
120,000 fps
高速相机摄录内外层分离的滑动过程，实现了
对最高接近
1 m/s
滑动速度下双壁碳纳米管层间摩擦力的高时空分辨率测量
（图
1
）。
图
1
基于光催化切断的高时空分辨率双壁碳纳米管层间摩擦力测量方法。
a)
双壁碳纳米管层间摩擦力非接触测量方法示意图。
b)
悬空双壁碳纳米管的共振瑞利散射图像。
c)
双壁碳纳米管的透射电子显微镜（
TEM
）图像。
d)
横跨
Si/SiO
2
基底沟槽的悬空双壁碳纳米管光学图像，其上沉积有
TiO
2
颗粒。插图为扫描电子显微镜（
SEM
）图像。
e)
光催化切断过程中悬空双壁碳纳米管的光学图像。
f)
光催化切断后双壁碳纳米管的
TEM
图像。
g)
外壁断裂后的高速图像序列，
TiO
₂
颗粒运动轨迹显示外壁滑动过程。像素分辨率：
1280 × 896
，帧率：
120,000
帧
/
秒。比例尺：
200 μm
（
b
、
d
主图），
50 μm
（
e
、
g
），
2 μm
（
d
插图），
5 nm
（
c
、
f
）。
视频
1.
高速摄像机记录的光催化按与层间滑移过程。三组双壁碳纳米管试样的断裂行为以相同采样频率（
120,000
帧
/
秒）采集，视频中
175
微秒时刻发生的结构断裂位点已用红色箭头标注。
实验结果表明：层间摩擦力随滑动速度呈线性增长趋势，其斜率与双壁管的层间距相关。当滑动速度达
977 mm/s
（对应剪切应变速率
2.8×10
9
s
-1
）时，最大层间摩擦力达
194.1±7.3 nN
，与准静态条件下最外层断裂张力（
~450 nN
）具有相同量级。层间摩擦力
-
滑动速度的斜率与双壁碳纳米管的层间距离相关，同时
三个样品的层间摩擦力相对于剪切应变速率具有相同的规律（图
2
）。
图
2
速度线性依赖型的层间摩擦力。
(a)
三个双壁碳纳米管样品的层间摩擦力随滑动速度变化规律。插图为层间摩擦力
-
滑动速度曲线斜率随层间距增大而减小的趋势。
(b)
层间摩擦与剪切应变速率关系图。前期抽出实验结果被引入作为对比参照，虚线为本研究三组碳纳米管样品在双对数坐标系下的线性拟合结果。
【分子动力学模拟探寻速度依赖型摩擦力机制】
对双壁碳纳米管内外层滑动过程的分子动力学模拟（
MD
）结果指出，
层间摩擦力的速度依赖行为与层间局部公度接触相关
。在更高速度的滑动下，指示层间公度接触的全局配准指数（
GRI
）波动幅度更大，导致了更高的能量耗散（图
3
）。
