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从“坏拉链理论”解释碳纤维的聚合成纤问题

高分子科技

2016-11-02

导读：科学家预测材料界的强力支柱——碳纤维还可以表现出更好的性能。他们发现，在制造过程中碳纤维聚合链有对准不良的倾向，类似于拉链在咬合过程中的错位，是造成其性能缺陷的主要原因。

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科学家预测材料界的强力支柱——碳纤维还可以表现出更好的性能。他们发现，在制造过程中碳纤维聚合链有对准不良的倾向，类似于拉链在咬合过程中的错位，是造成其性能缺陷的主要原因。

莱斯大学理论物理学家Boris Yakobson的实验室已经开始着手分析这些被忽视的缺陷，并提出了如何消除这些缺陷的猜想。他们的成果将于本月发表在期刊Advanced Materials上。

早在19世纪，托马斯·爱迪生就曾经将碳纤维做成细丝作为他灯泡原型的电热丝。然而，正式的工业发展直到19世纪50年代末才开始。碳纤维高强、柔韧、导电、耐热并且具有化学反应不活泼的特性，已经应用于网球拍、自行车架、飞机以及许多其他产品的制造中。此外，碳纤维还可以纺丝编织成轻体量、强韧的织物。

Evgeni Penev，Yakobson实验室的研究科学家，同时也是论文的共同作者，说：“尽管碳纤维的相关研究已经得到了很好的完善，并且相对成熟，但在低维纳米碳这个新领域，很多迅速发展的新理论仍然没能很好地开发和利用。”

该团队通过建模来推断使用最多的碳纤维在制造过程中缺陷的产生，包括加热聚丙烯腈（PAN）的过程。在1500℃下，除了强键合的碳原子，其他物质都会被烧掉，最终将它们变成基本的石墨烯纳米带，并且其特殊的排列方式可以防止纳米带轻易地嵌入到石墨烯典型的蜂窝晶格中。

材料科学和纳米工程与化学教授Yakobson说，他在阅读关于D环的RNA转录的生物学论文时，产生了这种纤维合成中的“错误输入”的想法。他认为这种缺陷在PAN制作碳纤维的过程中也是不可避免的。 “在这之后我们进行了很多工作来确定它们在纤维环境中的位置和对机械性能的影响。”Yakobson说。

分子动力学模拟显示，错配可以打开各个聚合物链并重新形成D环。这些环成为限制碳纤维性能的主要因素；Yakobson和他的团队将其减少了四分之一，并有效地将理论估计的纤维强度降低至更接近实验观察到的强度。

论文的第一作者，研究生Nitant Gupta说：“对我来说，最有趣的部分是意识到D环缺陷有可能使得Burgers矢量变得非常大，这在三维材料中几乎是不可能的，甚至是一个荒谬的想法。”Burgers矢量用来衡量晶格位错引起的强度扭曲。

令人惊讶的是，研究人员发现，当PAN链与纤维轴不对准时，尽管存在D环，但纤维的强度仍旧有增加。

研究人员还确定通过石墨烯纳米带而不是PAN，就可以避免D环的产生。根据模拟，D环是最可能引发裂纹的地方，因此尽可能多地消除它们将有益于纤维强度的提升。

Penev说：“除了细节上的工作，我们希望这项工作能在原子论建模层面上对相关领域都有所帮助。我们希望这将为那些在生产一线工作的人提供更多的价值，最终使更广泛的大众受益。

原文链接：

来源：材料人

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