清華魏飛：碳納米管大突破，接近極限！

碳納米管作為理論上*強的結構材料之一，其單根力學性能可達到百GPa級強度與TPa級模量。然而，這種*性能在宏觀材料中的實現始終面臨“尺度悖論”：宏觀尺度的碳納米管纖維或結構件，其強度遠低于單根CNT的理論值，原因在于構成這些結構的納米管普遍存在長度不足、排列不齊與結構缺陷，連接方式也往往依賴弱的剪切作用力。盡管已有多種策略嘗試通過共價鍵修復或能量束焊接實現連接增強，但均存在結構損傷、成本高昂或操作復雜等難以工程化的瓶頸。

近日，清華大學魏飛教授團隊聯合提出并實驗驗證了一種基于TiO₂納米粒子的范德華焊接方法（Van der Waals welding），*在常壓、常溫下實現了近乎不損傷結構的宏觀CNT焊接，其接頭強度接近單根CNT的理論極限，標志著碳納米材料“從實驗走向工程”的又一關鍵突破。

該技術基于快速化學氣相沉積自組裝（FCVDS）工藝，在幾秒內即可將納米級TiO₂顆粒精準沉積于CNT束的搭接區域，起到“納米釬料”作用。不同于傳統焊接對原子擴散或高溫共價重構的依賴，該方法純粹依靠范德華力與界面摩擦實現連接，因此能夠避免因高能束照射或激發態生成而帶來的管壁結構破壞。更重要的是，通過合理設計沉積參數與顆粒尺寸分布，僅需約1 wt%的“釬料”即可實現有效焊接，*大程度保留了CNT原有的低密度優勢。這種輕量級焊接方式為未來碳納米管在航天、軍工、柔性結構材料等對比強度極端敏感的領域提供了切實可行的工程實現路徑。

從連接原理來看，研究團隊在“y型”CNT束模型中，通過拉曼位移分析與應力轉移模型反演，*測量了TiO₂納米粒子與CNT之間的有效剪切強度（4.16 pN/nm²），證實其來源于非共價作用力。這一結果不僅為后續焊接建模提供了力學參數支撐，也為異質界面相互作用研究打開了新的實驗窗口。通過比較不同焊接結構方案（如頭對頭、搭接、多點分布等）并建立理論臨界強度公式，研究進一步明確了“界面剪切破壞”而非“釬料破壞”是焊接失效的主導機制。這一認知不僅優化了焊接策略，更對今后1D納米結構連接強度設計提供了普適性指導。

在實驗驗證方面，作者利用特定構型的CNT束進行焊接后，開展了基于懸臂梁的單根拉伸測試。測試樣品多為毫米級尺度，有效規避了電子束引起的輻照缺陷，同時實現了加載過程中的軸向均勻受力。在一系列焊接樣品中，超八成實現了“CNT本體斷裂”而非界面滑脫，其平均破斷強度達到116.8 ± 3.6 GPa，已無限接近單根CNT的理論值。這一結果不僅突破了長期困擾CNT工程應用的“強度瓶頸”，也刷新了當前納米焊接領域的*高力學性能紀錄。與此同時，研究還觀察到個別樣品發生界面滑移，并通過力—應變曲線呈現出典型的“靜摩擦—動摩擦”過渡形態，這為后續焊接可靠性設計提供了關鍵的失效診斷指標。

值得注意的是，這一技術具備極高的工程可擴展性。TiO₂焊料來源廣泛，FCVDS工藝無需高壓或潔凈條件，短時間沉積可精準控制顆粒尺寸與密度，具備大面積、常溫操作能力。在控制TiCl₄水解路徑、氣流輸送距離（δ）與環境濕度等變量后，研究人員實現了尺寸集中分布、可重復的焊接體系構建。例如，在濕度適中且沉積時間低于3秒的條件下，可形成粒徑均勻、覆蓋位置精準的“生物靶向式”焊接，這種“靶向沉積”能力有望拓展至柔性電子、納米組裝等高集成度制造場景。

在材料系統層面，這一范德華焊接策略突破了碳納米結構連接方式的“物理極限”。相比傳統的等離子體激活或電流遷移誘導焊接方式，這種“軟連接”無需能量束輸入，無需犧牲結構完整性，因而更適合多尺度、長距離納米材料的工程集成。此外，TiO₂納米顆粒尺寸可進一步縮小至10 nm以下，有望進一步降低釬料質量比。研究人員指出，在CNT長度超過半米的應用場景中，焊料質量比甚至可降至0.1 wt%以下，幾乎不影響*終構件的比強度與結構穩定性。這為碳納米管作為宏觀載荷結構材料的工程落地提供了真正可行的連接方案。

綜上所述，這項研究不僅提出了一種兼具強度保持、結構無損、重量控制與操作可行性的CNT焊接新技術，更從力學機制、參數模型到工程實驗全面完成了對該策略的論證。其在實現碳納米管力學性能“無損放大”的同時，為高強度纖維材料、柔性器件、極限結構件等應用提供了關鍵技術支撐。未來，若能將該方法與產業級CVD CNT宏量制備技術聯動，有望推動高強碳納米結構材料從實驗室跨入產業端，賦能下一代航空航天、國防復合材料與柔性結構器件的性能躍遷。

原文：https://doi.org/10.1002/adma.202502638

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