为了解决以上问题，中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室王鹏飞副研究员团队前期开展了系列研究。首先基于 Hopkinson 杆原理设计了纤维单丝的动态拉伸力学实验装置（图1a），研究了CNT纤维单丝与加载时间相关的应变率敏感特性(10^-3s^-1–10³s^-1)（图1b），并结合高速摄影和数值模拟方法揭示了其韧脆性对纤维动态断裂的影响规律[Carbon, 2016, 102:18-31]。在这个动态研究的基础上，团队进一步探讨了不同加捻度CNT纤维拉伸力学性能的应变率敏感性，揭示了加捻是导致碳纳米管纤维由脆性向韧性转换的主要因素，更高的加捻度对应着更显著的应变率敏感性，结合韦伯统计分布阐明了增强和弱化两种竞争机制导致的最优捻角特性（图1c-d），由此理论发展了考虑加捻度和应变率效应的本构方程[Int. J. Plasticity, 2018, 110: 74-94]。由于前述的高速摄影难以观察到纤维单丝在加载过程中的微纳米结构，团队基于扫描电镜设计并发展了纤维单丝的微纳米原位力学测试方法（图1e），实验研究了CNT纤维在连续以及非连续加载过程中与时间相关的微纳米结构自调整特性（图1f），发展了分数阶的三单元体粘弹性模型，建立了纤维应力与表面角、应变率和应变相关的本构方程[Int. J. Plasticity, 2021, 136:102866]。

图1 （a）纤维单丝动态装置简图，（b）碳纳米管纤维单丝与碳纳米管复合纤维、碳纤维单丝的拉伸强度的应变率敏感性, （c）不同应变率下碳纳米管纤维拉伸强度与捻角的关系，（d）不同应变率下失效机制与捻角的关系，（e）基于扫描电镜的原位力学(In-situ SEM)测试装置，(f) 碳纳米管纤维单丝的微结构变形过程。

近期，团队在CNT纤维单丝的率-温敏感性机理的研究中取得一些进展，设计并发展了纤维单丝在高温下的动态拉伸力学测试技术 (图2a)，揭示了CNT纤维动态力学性能的温度敏感性规律，阐明了CNT纤维的时-温等效机理（图2b-c）。研究人员借助原位扫描电镜技术，从纤维单丝内部的微纳米结构出发，结合微观到宏观的三层级结构认知模型，揭示了高温热氧化使得碳纳米管内部产生缺陷，导致管自身的平均强度降低；同时，热膨胀会增大管与管、束与束的间距且减小有效接触面积，进而降低载荷传递效率，因此高温显著弱化纤维的拉伸强度。进一步的研究表明：当CNT纤维在受载时，内部应力的不均匀分布将导致微结构的重排。在高温下，管束之间的作用变弱，滑移速度更快，可以在更短的时间内达到力平衡，使得内部CNT微结构重排对时间的敏感性降低，这也是此CNT纤维的应变率敏感系数随温度升高而降低的一个主要原因。基于此，研究人员将纤维内部微结构的变形模式描述为单元伸长与界面动态滑移两种模式，推导了CNT纤维的跨尺度本构方程（图2d）。理论模型结果表明CNT的重叠长度和管间距离会显著影响纤维的宏观力学性能（图2e），通过建立管间距离和温度之间的联系，进一步阐明了温度对CNT纤维动力学性能的影响机制（图2f）。基于以上分析，研究人员提出了通过抑制热膨胀和热氧化来优化CNT纤维高温力学性能的策略并进行了实验验证（图2g）。

图2 （a）纤维单丝高温实验动态装置示意图，（b）不同温度下碳纳米管纤维的力学响应行为，（c）碳纳米管纤维的应变率敏感系数与温度的关系，（d）最小单元变形模式示意图，（e）重叠长度与管间距离对模量的影响关系，（f）两种碳纳米管纤维管间距离随温度的变化；（g）优化后碳纳米管纤维不同温度下的拉伸强度和原始纤维的对比。

该部分的研究成果近期以“Temperature and rate-dependent plastic deformation mechanism of carbon nanotube fiber: Experiments and modeling”为题发表在固体力学顶级期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上。博士生王德雅为论文第一作者，王鹏飞副研究员为论文第一通讯作者。此方面关于纤维单丝动态力学性能研究的系列工作得到了中国科学院材料力学行为和设计重点实验室徐松林研究员、香港科技大学杨晶磊教授和南京工业大学孙庚志教授等的支持与指导。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105241