综述：宏观碳纳米管（CNT）组装体的机械性能的最新进展：从加工和强化策略到实际应用

《Materials Today Nano》：Recent development in mechanical performance of macroscopic CNT assemblies from processing, strengthening strategies to applications

碳纳米管宏观结构（纤维/薄膜/凝胶）的制备方法与性能优化机制研究，重点分析缺陷管理、界面工程和取向致密化对跨尺度载荷传递的影响，总结轻质高强复合材料的发展挑战与设计框架。

　　

廖宇豪|王玉清|张燕|王平|胡东梅|李园园

中国苏州苏州大学纺织与服装工程学院国家工程实验室，215006

摘要

碳纳米管（CNTs）由于其卓越的比强度和模量，常被组装成宏观结构，包括一维（1D）纤维、二维（2D）薄膜和三维（3D）整体材料（凝胶/海绵/泡沫）。这些结构在高性能结构材料中具有巨大的潜力，特别是在机械保护应用方面。尽管CNTs组合具有优异的性能，但在实际应用中仍面临一些挑战，需要解决这些问题才能实现最佳性能。本文系统评估了各种制造方法对CNTs组合的影响，并探讨了如何通过调整材料结构和特性来优化其机械性能。在此基础上，进一步分析了通过结构设计和界面优化提高机械性能的关键机制和最新进展，讨论了这些策略如何弥合微观和宏观尺度性能之间的差距。此外，本文还批判性地评估了当前面临的挑战，并为开发下一代轻质高强度结构材料提供了理论框架。

引言

碳纳米管（CNTs）因其独特的结构和优异的性能而受到全球广泛关注；它们是由碳原子组成的中空圆柱形纳米结构，具有不同的直径、手性和长度¹。CNTs由sp²杂化的C-C共价键形成的无缝六边形网络构成，使其成为最强和最灵活的分子材料之一²。在实际应用中，CNTs通常被组装成宏观结构，包括一维（1D）CNT纤维、二维（2D）CNT薄膜和三维（3D）CNT整体材料（凝胶/海绵/泡沫）（3），（4）。

自1991年饭岛首次报道CNTs以来，科学家们在过去几十年里对该材料进行了大量研究，取得了显著进展（图1a）。图1b显示了2010年至2025年间CNT纤维、薄膜和整体材料的引用趋势，反映了人们对这三种宏观CNT结构的日益关注和认可。这些不同维度的宏观CNT结构使得实际应用成为可能。例如，由于CNT纤维的定向结构，可以显著提高拉伸强度；二维薄膜能够更好地分布载荷；而三维整体材料有望实现更高的能量吸收和刚度重量比。尽管CNT研究取得了巨大进展，但其固有性能仍无法满足多样化的需求和特定应用。由于CNTs之间的相互作用，保持结构完整性仍然是一个挑战，导致宏观CNT结构的机械性能远低于单个CNT的性能。此外，CNT薄膜的化学惰性导致其表面能较低，几乎不溶于有机溶剂。结构无序和内部孔隙也限制了宏观CNT组合的性能。因此，系统地表征宏观CNT组合的机械性能并开发有效的增强策略对于弥合单个CNT性能与实际结构要求之间的差距至关重要。这一需求在承重和冲击/能量吸收应用中尤为关键，因为这些应用中的性能受跨尺度载荷传递和失效机制的控制。

尽管已经报道了多种宏观碳纳米管（CNT）组合的制造和改性策略，但大多数现有综述主要按维度（1D/2D/3D）、应用场景或多功能性质来组织文献，而加工、增强途径与机械性能之间的机制联系往往讨论得不够系统。相比之下，本文从“从加工到力学”的角度统一分析了CNT纤维、薄膜和整体材料的性能，明确地将加工引起的结构特征（如排列、堆积密度/孔隙率和接头质量）与可实现的机械性能联系起来。更重要的是，我们综合了通过三种以机制为导向的增强策略——缺陷管理、界面工程和排列/致密化——并阐明了每种策略如何控制跨尺度载荷传递和失效模式，从而提高强度、刚度、韧性/能量耗散和循环韧性。最后，我们总结了与力学相关的应用，讨论了可扩展和可控制造的关键挑战和权衡，并为下一代轻质高强度基于CNT的结构材料提供了设计指导。本文的框架示意图见图2。

章节片段

CNT纤维的制备

碳纳米管纤维（CNTFs）是通过排列、组装或纺丝大量碳纳米管（CNTs）制成的宏观纤维结构，目的是将其出色的轴向性能传递到宏观尺度。常见的制造方法包括湿法纺丝⁵、垂直阵列纺丝⁶和直接纺丝⁷（见图3）。这些工艺使CNTFs能够继承优异的机械强度、高模量、电导率和热导率

提高CNT组合机械性能的策略

要实现宏观CNT组合的高机械性能，需要实现纳米-微观-宏观尺度之间的高效载荷传递，而这通常受到缺陷、管间/束间界面弱以及排列/堆积不足的限制。因此，宏观机械性能往往受到缺陷引发的失效和弱接头处的滑移/分层的影响，而不是单个CNT的固有强度。因此，调整层次结构

优化后的宏观CNT组合的机械性能

基于第2节总结的制造方法和第3节概述的三种增强策略（见图6），本节系统地总结和比较了优化后的宏观CNT组合（纤维、薄膜和整体材料）的机械性能。通过综合代表性的性能范围和关键研究，我们阐明了缺陷管理、界面工程和排列/致密化如何调节跨尺度结构特征

未来研究方向和挑战

• 1)
  理解尺度效应和多级能量耗散机制

宏观CNT组合的机械性能仍远低于单个CNT的理论极限，主要是由于缺乏对跨尺度载荷传递行为和多级能量耗散机制（如滑移、解缠和断裂）的系统理解³，（4）。未来的研究迫切需要建立涵盖纳米、微观和宏观尺度的多尺度力学模型

CRediT作者贡献声明

王玉清：验证、方法论。廖宇豪：撰写——初稿、形式分析、数据整理。李园园：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取。胡东梅：项目管理、方法论、资金获取。王平：方法论。张燕：验证、方法论

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。