苏州大学研发仿生纳米鱼网碳纳米管膜：强度提升近40倍

碳纳米管薄膜具有重量轻、柔韧性高和适合规模化制造等特点，被视为新一代抗冲击防护材料的重要候选方案。不过，单根碳纳米管虽然具有优异的力学性能，传统薄膜中的结构缺陷和薄弱界面却会阻碍应力传递，使其难以达到理论强度。

苏州大学研究团队在《Nano Research》发表的一项研究中，提出一种仿生“纳米鱼网”结构，将高度取向的碳纳米管与聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纳米纤维结合，显著提高复合薄膜的强度、韧性和机械能吸收能力。

研究团队由苏州大学Yuanyuan Li带领，利用碳纳米管束构成主要承力网络，并以PBO纳米纤维建立纳米级连接节点，形成类似鱼网的连续交锁结构。该结构能够改善应力传递、限制裂纹扩展，并增强相邻碳纳米管束之间原本较弱的界面。

定向拉伸提高碳纳米管排列密度

传统碳纳米管薄膜通常存在缠结、排列不齐、孔隙和结构缺陷，碳纳米管之间主要依靠相对较弱的范德华力相互作用。受到突然载荷时，管束容易发生滑移或分离，导致单根碳纳米管的高强度难以转化为宏观薄膜的整体性能。

为改善这一问题，研究人员首先使用氯磺酸处理碳纳米管，将紧密团聚的管束解缠并分散，随后对薄膜进行可控的定向拉伸。经过多次拉伸，碳纳米管及其管束逐渐沿拉伸方向旋转和排列，随机缠结减少，薄膜内部的堆积密度随之提高。

拉伸程度需要得到精确控制，拉伸不足会导致碳纳米管排列依然松散，过度拉伸则可能损坏甚至拉断薄膜。经过优化后，碳纳米管薄膜密度由每立方厘米0.56克提高至0.94克，增强前的断裂强度达到1.04±0.06 GPa，弹性模量达到36.99±1.8 GPa。

PBO纳米纤维形成“鱼网节点”

研究人员随后将PBO纳米纤维渗入取向排列的碳纳米管框架。由于PBO纳米纤维尺寸较小、长径比较高，可以进入薄膜中的孔隙和缺陷区域，并在相邻碳纳米管束之间形成桥接结构。

在“纳米鱼网”模型中，取向碳纳米管束相当于鱼网的网线，PBO纳米纤维桥接点则相当于连接网线的节点，二者共同形成连续的交锁网络。PBO纳米纤维不仅填补孔隙，还会在碳纳米管网络内建立大量连接，限制管束滑移并提高整体结合力。

当薄膜内部出现裂纹时，鱼网结构可以将应力转移到更大的区域，避免应力沿单一薄弱路径集中并推动裂纹快速扩展。这种多层级纤维、界面和节点协同承载的方式，与自然界中多种高韧性生物结构的抗破坏机制相似。

强度和韧性实现同步提升

最终制得的PBO-碳纳米管复合薄膜，拉伸强度达到4.92±0.2 GPa，韧性达到118.96±9.78 MJ/m³。与未经处理的原始碳纳米管薄膜相比，其拉伸强度提高3954.39%，韧性提高1060.59%。

韧性代表材料在断裂前能够吸收的机械能，是评价抗冲击材料的重要指标。强度较高但韧性不足的薄膜可能在承受初始载荷后突然断裂，而高韧性材料能够在损伤形成过程中持续吸收和分散能量。

研究团队还分析了复合薄膜在快速载荷作用下的应力—应变响应和损伤过程。密集的PBO连接节点能够在取向碳纳米管网络中形成连续应力传递路径，从而抑制裂纹扩展，提高材料的动态力学性能。

可控定向拉伸与纳米纤维渗入工艺，有望成为制造轻量化、高柔韧和高能量吸收防护材料的规模化技术路线。相关材料未来可用于抗冲击装备及其他对重量、柔韧性和机械能吸收能力要求较高的系统。

该研究由苏州大学Chenyang Duan等人完成，合作单位包括苏州大学和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。

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原文：Bioinspired Nano-Fishnet Design Gives Carbon Nanotube Composite Films Ultra-High Dynamic Toughness