碳纳米管（CNT）自1991年被发现以来，一直被视为材料科学领域的“梦想材料”。单个碳纳米管的拉伸强度可达13~80 GPa，且同时兼具极高的杨氏模量和良好的拉伸延展性。然而，一个困扰学界近三十年的难题始终未能解决：如何将这些纳米尺度的优异性能传递到宏观尺度的纤维和薄膜中？尽管学界已发展出溶液纺丝、阵列纺丝和气凝胶直接纺丝等多种组装技术，但宏观碳纳米管纤维的实测强度始终远低于单个碳纳米管的理论值。其根本原因在于，纤维的力学性能主要取决于碳纳米管之间的应力传递效率，而非仅仅依赖于管内的碳-碳键和缺陷结构。要实现与单个碳纳米管相当的强度，碳纳米管必须在纵向上高度取向、在横向上紧密堆积，从而使管间的范德华相互作用足以在断裂时引发管的断裂而非管间滑移。然而，传统方法如机械拉伸、梳理、挤压和辊压等，均难以在不破坏部分碳纳米管的前提下实现全局性的取向排列。

针对这一长期挑战，华东理工大学王健农教授团队提出了一种全新的“流体力学”思路：利用高速喷射的乙醇流体对预制碳纳米管纤维进行连续冲刷和收缩处理。实验结果表明，这种流体力学的冲刷作用能够显著改善碳纳米管的取向度和堆积密度，大幅增强管间的范德华力，从而使纤维的拉伸强度得到飞跃式提升。在最优条件下，新型碳纳米管纤维的比强度达到7.5×10⁶ N·m·kg⁻¹（即7.5 N·tex⁻¹），绝对强度高达12.5 GPa，已接近单个碳纳米管强度的下限值。同时，该纤维还展现出370 GPa的高杨氏模量、约3×10⁶ S/m的电导率和约968 W/m/K的热导率。相关论文以“Improvement of the tensile strength of carbon nanotube fibers to 12.5 GPa by fluidics-induced alignment and densification”为题，发表在Nature Communications上。

研究团队首先通过浮动催化剂喷雾热解法合成了碳纳米管薄膜。如图所示，含有碳前驱体、铁催化剂和生长促进剂的反应溶液被注入反应器进行热解，碳纳米管在高温区形成并在低温区自组装为中空圆柱体，随后由氮气载气吹出反应器并卷绕在直径1m的收卷鼓上，形成长度3.14m、宽度0.5m的碳纳米管薄膜。该薄膜被切割为宽度2mm的带状纤维。

图1. 起始材料的形貌与结构

图2展示了研究团队设计的三种后处理方案：原始带状纤维（R-CNTF）、仅施加直接拉伸（D-CNTF）、仅施加流体冲刷（S-CNTF），以及同时施加冲刷和拉伸（DS-CNTF）。扫描电镜图像显示，原始纤维内部存在大量孔隙，碳纳米管及其束团相互缠结，仅有少量取向来自原始纺丝过程。经过15%的工程应变拉伸后，部分碳纳米管和束团发生取向排列，但大量区域仍未被有效拉伸，缠结碳纳米管和不同尺寸的孔洞依然存在。相比之下，仅经流体冲刷处理的纤维中碳纳米管变得平直、取向且紧密堆积，仅在高倍下可见微小孔洞。而同时施加冲刷和拉伸的纤维致密化程度更高，孔洞极少，表明冲刷耦合拉伸能同时显著改善碳纳米管的取向和堆积密度，从而增大碳纳米管间的接触面积和相互作用，促进载荷、电子和声子的有效传递。

图2. 经拉伸和冲刷处理的碳纳米管材料示意图及相应的微观结构演化

图3. 不同拉伸和冲刷处理的碳纳米管纤维的扫描电镜图像、偏振拉曼光谱和小角X射线散射图像

为系统研究流体冲刷参数的影响，研究团队提出了“冲刷距离”这一新概念——定义为流体速度乘以冲刷时间。图4a显示，无论是G带强度比还是取向因子，均随冲刷距离的增加而提高；在相同冲刷距离下，同时施加拉伸能产生更大的取向增量。这一趋势也可以通过小角X射线散射图案从各向同性圆形逐渐演变为各向异性椭圆形得到直观验证。

为考察流体梯度效应，研究团队制备了厚度仅为152nm的超薄膜，与前述921nm厚度的带状纤维进行对比。结果显示，超薄膜经冲刷拉伸后G带强度比从2.76提高到5.12，最大拉伸载荷从1.50 N提高至3.75 N，比强度从3.5×10⁶ N·m·kg⁻¹提高到7.5×10⁶ N·m·kg⁻¹。进一步的机械辊压处理在不改变线密度的情况下大幅减小了横截面积，使DS-CNTF的绝对强度从4.92 GPa提升至11.7 GPa，而超薄膜因已足够致密，辊压后强度维持在约12.5 GPa。

图4. 流体冲刷对碳纳米管纤维（CNTF）和更薄纤维（THINF）微观结构与力学性能的影响

图5通过雷达图直观展示了冲刷处理对力学和物理性能的全面提升。与文献报道的石墨烯、碳纳米管、碳纤维和金属材料进行对比，本研究所制备的碳纳米管纤维在拉伸强度和比强度方面均达到迄今报道的最高水平，电导率和热导率也处于领先方法制备的碳材料的高位区间。此前报道的碳纳米管纤维通过静态液体中的水平拉伸最高达到8 GPa强度，而本研究通过在流动液体中进行垂直拉伸实现了12.5 GPa的更高强度——流动液体产生的微观剪切作用是碳纳米管取向和致密化的主要驱动力，外部拉伸仅起辅助作用。与碳纤维相比，本研究的碳纳米管纤维在拉伸延展性、韧性和导电导热性能上均具有额外优势，这源于碳纳米管的石墨化管状结构有利于缺陷、电子和声子的迁移，而碳纤维的非晶结构本质上是脆性的且对电子和声子具有散射作用。

图5. 经或未经冲刷处理的纤维性能及其与其他材料的对比

为揭示强化机理，研究团队观察了断口形貌。原始纤维（R-CNTF）呈现锯齿状和不平整的断口，特征性地表现为碳纳米管束的大规模滑移和拔出，表明断裂过程中发生了广泛的管间滑移。而高度取向的DS-CNTF样品则呈现整齐平整的断口，滑移台阶有限，说明整个结构在发生断裂时管间滑移极少，所有碳纳米管共同承载外加载荷。高分辨透射电镜进一步观察到在拉伸过程中被压扁甚至断裂的双壁碳纳米管束，直接证明了碳纳米管本身发生了断裂而非仅发生管间滑移。

图6. 碳纳米管未取向和高度取向纤维的断口形貌

研究团队还通过重叠拉伸实验定量测量了碳纳米管间的剪切强度。通过断裂载荷与剪切面积的关系计算得出，取向条带的管间剪切强度为0.035 MPa，而未取向条带仅为0.005 MPa。这一数值与单晶石墨基面剪切强度和多壁碳纳米管管间滑移的测量值处于同一水平，充分证明了取向排列对管间增强的关键作用。

图7. 碳纳米管间剪切强度分析

要实现碳纳米管微观性能向宏观尺度的传递，关键在于使碳纳米管完全取向和紧密堆积，从而增强管间载荷传递以抑制管间滑移，最大化管间结合力以促使碳纳米管本身发生断裂。本研究的流体力学方法——通过高速喷射乙醇使纤维在微观尺度上受到轴向剪切、在宏观尺度上得到压实——成功解决了碳纳米管宏观纤维中长期存在的取向不足问题。机理研究表明，良好的取向、紧密的堆积和极长的管长是显著增强碳纳米管间接触面积和界面相互作用的关键因素。通过这些微观结构的精细调控，管间剪切强度提升至单晶石墨基面和多壁碳纳米管管间滑移的水平。正是这种管间强化机制带来了所观察到的高力学和物理性能。该研究为开发高性能碳纳米管材料提供了新技术路径，尤其适用于对重量敏感且同时要求导电和力学功能的高端应用领域。

（来源：高分子科学前沿）