碳納米管（CNT）束和纖維的強(qiáng)度通常遠(yuǎn)低于單根碳納米管，這是由于CNT組件的短長度導(dǎo)致其組裝強(qiáng)度僅由CNT之間的弱剪切相互作用貢獻(xiàn)。本文報(bào)道了一種使用TiO?納米顆粒作為焊料的快速化學(xué)氣相沉積自組裝（FCVDS）技術(shù)來焊接CNT。該技術(shù)簡單、快速、無需壓力、適用于環(huán)境條件，并能焊接具有宏觀尺度的樣品。焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度接近單根CNT的拉伸強(qiáng)度。TiO?與CNT之間的界面相互作用僅由范德華力貢獻(xiàn)，避免了破壞CNT的無缺陷結(jié)構(gòu)。焊料質(zhì)量可僅占焊接CNT的約1wt%。
碳納米管以其超過100GPa的拉伸強(qiáng)度和超過1TPa的楊氏模量，被認(rèn)為是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)材料之一，也是唯一可能幫助我們實(shí)現(xiàn)太空電梯夢想的材料。此外，超強(qiáng)纖維還可用于防彈背心、機(jī)身、懸索橋、飛輪儲能等應(yīng)用。在宏觀尺度上制造具有與單根CNT相當(dāng)機(jī)械強(qiáng)度的CNT纖維一直是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。盡管過去二十年中為此付出了許多努力，但獲得的CNT纖維的拉伸強(qiáng)度通常僅有幾GPa，遠(yuǎn)低于單根CNT。CNT片段的長度已被證明對CNT纖維的強(qiáng)度有很大影響。由于CNT片段的長度通常遠(yuǎn)小于整個(gè)纖維的長度，且纖維的強(qiáng)度實(shí)際上是由低剪切模量貢獻(xiàn)的，因此探索將CNT片段端對端連接的可能性以保持其超高強(qiáng)度是一個(gè)更好的選擇。
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圖1。a）超長CNT的SEM圖像。b）用納米顆粒（NP）裝飾的CNT的光學(xué)顯微鏡圖像。c）TiO2的SEM圖像納米顆粒。d–f）由兩個(gè)納米顆粒修飾的碳納米管組成的碳納米管束的光學(xué)顯微鏡圖像。d）8秒，e）5秒，f）2.5秒，插圖顯示單個(gè)部件的分支結(jié)構(gòu)和清潔表面的SEM圖像。g）由三個(gè)碳納米管組成的碳納米管束的光學(xué)顯微鏡圖像CNT。a是從束/單個(gè)部分上的位置到襯底溝槽邊緣的距離。h）CNT束的光學(xué)顯微鏡圖像特定的“雙y”結(jié)構(gòu)。i）通過FCVDS焊接的碳納米管的光學(xué)顯微鏡圖像。j–m）焊接碳納米管的圖示。（j）中的插圖是光學(xué)接合處的顯微鏡圖像。
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圖2. 碳納米管(CNTs)與二氧化鈦(TiO?)相互作用的測量。
a, b) 圖(a)和(b)所示測量機(jī)理示意圖。
c) 切割前后‘單Y型’碳納米管束(CNTB)的光學(xué)圖像，切割操作如圖(a)和圖(b)所示。
d) ‘單Y型’碳納米管束(CNTB)的拉曼光譜。
e) TiO?與CNTs之間的剪切力隨接觸面積的變化關(guān)系圖。誤差棒由剪力測量值的不確定性確定。
f) 利用TiO?球焊接CNTs的策略示意圖。
解析：
這段文字是圖2的圖注（Figure Caption），詳細(xì)描述了圖2中各個(gè)子圖的內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法。以下是逐點(diǎn)解析：
圖標(biāo)題 (Figure 2):
-> 碳納米管(CNTs)與二氧化鈦(TiO?)相互作用的測量: 清晰點(diǎn)明了整張圖的核心主題是研究碳納米管（CNTs）和二氧化鈦（TiO?）兩種材料之間的相互作用力（很可能是力學(xué)相互作用，如剪切力、粘附力等）。
圖a & b:
-> 圖(a)和(b)所示測量機(jī)理示意圖: 指明了圖a和圖b是解釋整個(gè)測量過程工作原理的示意圖。它們通常展示儀器設(shè)置、操作步驟（如切割CNTs）或力的加載方式。
圖c:
-> 切割前后‘單Y型’碳納米管束(CNTB)的光學(xué)圖像，切割操作如圖(a)和圖(b)所示:
· 'single-y' type CNTB: ‘單Y型’碳納米管束(CNTB)。這描述了一種特定結(jié)構(gòu)的碳納米管束，形狀類似字母“Y”。CNTB 是 Carbon Nanotube Bundle (碳納米管束) 的縮寫。
· before and after cut: 切割前后。說明實(shí)驗(yàn)中對這個(gè)“單Y型”管束進(jìn)行了切割操作。
· illustrated in (a) and (b): 切割操作如圖(a)和圖(b)所示。明確指出切割操作的示意在圖a和/或圖b中展示。
· Optical images: 光學(xué)圖像。說明圖c是使用光學(xué)顯微鏡拍攝的實(shí)際照片，直觀顯示了切割前后管束的形態(tài)變化。
圖d:
-> ‘單Y型’碳納米管束(CNTB)的拉曼光譜: 顯示了對同一個(gè)“單Y型”碳納米管束進(jìn)行拉曼光譜測試的結(jié)果。拉曼光譜可以提供材料的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、應(yīng)力等信息，可能用于表征管束的質(zhì)量或切割前后有無明顯變化。
圖e:
-> TiO?與CNTs之間的剪切力隨接觸面積的變化關(guān)系圖:
· 這是核心數(shù)據(jù)圖。展示了測量得到的剪切力（Shear force）如何隨著二氧化鈦（TiO?）和碳納米管（CNTs）之間的接觸面積（Contact area）變化而變化。通常是一個(gè)曲線圖或散點(diǎn)圖。
-> 誤差棒由剪力測量值的不確定性確定:
· 誤差棒。圖中代表數(shù)據(jù)點(diǎn)測量不確定性的豎直或水平線段。
· 剪力測量值的不確定性。說明了誤差的來源是剪切力測量本身存在的誤差（如儀器精度、操作誤差等）。
· 確定。表明誤差棒的大小是根據(jù)這些測量不確定性計(jì)算出來的。
圖f:
-> 利用TiO?球焊接CNTs的策略示意圖: 這是另一個(gè)示意圖。
· 策略。指代方法或方案。
· 利用TiO?球。表明使用二氧化鈦制成的微球或納米球作為工具或媒介。
· to weld CNTs: 焊接CNTs。這是關(guān)鍵點(diǎn)，暗示了一種新穎的應(yīng)用：使用TiO?小球作為“焊料”或“熱源”，通過某種方式（可能是激光誘導(dǎo)加熱、施加壓力并加熱等）將不同的碳納米管連接（“焊接”）在一起。圖f會展示這種焊接策略的構(gòu)想圖。
這段圖注描述了研究者如何通過顯微鏡觀察（圖c）、光譜分析（圖d）和力學(xué)測試（圖e的核心數(shù)據(jù)及其原理圖a,b）來表征CNTs與TiO?之間的相互作用（尤其是剪切力）。特別值得注意的是，圖f提出了一種創(chuàng)新的應(yīng)用策略：利用TiO?小球作為媒介來焊接/連接CNTs。圖e中的剪切力-接觸面積關(guān)系圖是定量理解兩者相互作用強(qiáng)度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，誤差棒則提供了數(shù)據(jù)的可靠性信息。整個(gè)圖2系統(tǒng)地闡述了從測量機(jī)理到數(shù)據(jù)分析，再到創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)想的研究過程。
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圖3. 臨界焊接參數(shù)方程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證演示。
a-c) 測量技術(shù)示意圖。(c)圖中的插圖為測量過程的光學(xué)圖像。l和δ分別表示重疊（束）長度和力懸臂梁尖端的偏轉(zhuǎn)位移。d) 碳納米管(CNT)斷裂模式和界面脫粘模式的典型力-應(yīng)變曲線。誤差棒由力測量值的不確定性確定。
解析：
一、這段文字是圖3的圖注，描述了實(shí)驗(yàn)如何驗(yàn)證一個(gè)關(guān)鍵的焊接參數(shù)方程。以下是逐點(diǎn)解析：
1、圖標(biāo)題 (Figure 3):
-> 臨界焊接參數(shù)方程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證演示: 點(diǎn)明該圖的核心目的是通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一個(gè)被稱為“臨界焊接參數(shù)方程”的理論公式。這個(gè)方程很可能定義了實(shí)現(xiàn)成功焊接（而非破壞）所需滿足的關(guān)鍵條件參數(shù)（如力、應(yīng)變、接觸長度等）。
2、圖a, b & c:
-> 測量技術(shù)示意圖: 表明圖a,b,c展示了用于測量焊接強(qiáng)度和失效模式的實(shí)驗(yàn)裝置或方法的示意圖。
-> (c)圖中的插圖為測量過程的光學(xué)圖像:
特別指出圖c中還包含插圖(insets)，這些插圖是實(shí)驗(yàn)過程（例如施加力、觀察斷裂）的實(shí)際光學(xué)顯微照片，提供了直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄。
-> l和δ分別表示重疊（束）長度和力懸臂梁尖端的偏轉(zhuǎn)位移:
· 重疊長度（或束長度）。這是指參與焊接的兩個(gè)CNT片段相互重疊接觸的長度，或者一個(gè)CNT束內(nèi)纖維間相互作用的長度。這是焊接界面面積的一個(gè)關(guān)鍵度量。
· δ (deflection of the force cantilever tip): 力懸臂梁尖端的偏轉(zhuǎn)位移。這通常是在原子力顯微鏡（AFM）或類似儀器中，用來測量微小作用力（如焊接強(qiáng)度）的核心參數(shù)。懸臂梁尖端的偏轉(zhuǎn)量δ通過其彈性系數(shù)可以換算成施加或承受的力F(F = k * δ, k是彈性系數(shù))。δ本質(zhì)上代表應(yīng)變或變形。
· 分別。明確指出l對應(yīng)重疊長度，δ對應(yīng)懸臂梁尖端偏轉(zhuǎn)位移。
3、圖d:
-> 碳納米管(CNT)斷裂模式和界面脫粘模式的典型力-應(yīng)變曲線:
*Force-strain curves: 力-應(yīng)變曲線。這是材料力學(xué)測試中最核心的圖表類型，縱軸是力F（或應(yīng)力σ），橫軸是應(yīng)變ε（或位移δ）。它展示了材料在受力過程中的變形行為直至失效。
*CNT breaking mode: 碳納米管斷裂模式。指在測試中，破壞發(fā)生在碳納米管本體內(nèi)部，即CNT本身被拉斷或剪切破壞。
*Interfacial debonding mode: 界面脫粘模式。指在測試中，破壞發(fā)生在焊接界面處，即CNT與CNT之間（或CNT與其他材料之間）的焊接連接失效、脫開。
· *Typical: 典型的。說明圖中展示的是這兩種失效模式具有代表性的曲線。
Error bars were determined based on the uncertainties in the measurements of forces -> 誤差棒由力測量值的不確定性確定:
與圖2e類似，強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)的可靠性。誤差棒的大小來源于力（F）測量本身的不確定度（儀器誤差、噪聲等）。
二、這段圖注描述了如何通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一個(gè)關(guān)鍵的焊接參數(shù)理論方程（圖3標(biāo)題）。
*測量方法： 圖a-c展示了實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，其中圖c還包含了實(shí)際測量過程的光學(xué)顯微鏡照片（插圖）。關(guān)鍵測量參數(shù)包括焊接界面的重疊長度l和反映作用力大小的懸臂梁偏轉(zhuǎn)位移δ（即應(yīng)變）。
*核心數(shù)據(jù)： 圖d呈現(xiàn)了核心實(shí)驗(yàn)結(jié)果——力-應(yīng)變曲線。這些曲線清晰地展示了兩種不同的失效模式：
CNT斷裂模式： 力達(dá)到很高值后曲線突然下降，表示CNT本體發(fā)生斷裂。此時(shí)的峰值力代表了CNT本身的強(qiáng)度。
界面脫粘模式： 力達(dá)到一個(gè)相對較低的值后曲線下降，表示焊接界面發(fā)生脫粘失效。此時(shí)的峰值力代表了焊接界面的強(qiáng)度（或粘結(jié)強(qiáng)度）。
*臨界參數(shù)的驗(yàn)證： 通過比較這兩種模式發(fā)生的條件（特定的l, δ/應(yīng)變以及對應(yīng)的峰值力），并與理論方程預(yù)測的臨界值進(jìn)行比較，即可驗(yàn)證該方程是否能準(zhǔn)確預(yù)測焊接成功（界面強(qiáng)度高于CNT本體強(qiáng)度，發(fā)生CNT斷裂）或焊接失?。ń缑鎻?qiáng)度低于CNT本體強(qiáng)度，發(fā)生界面脫粘）的界限。圖d中的誤差棒為這一驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)可靠性保障。
三、這段圖注結(jié)構(gòu)清晰，完整描述了驗(yàn)證關(guān)鍵理論所需的實(shí)驗(yàn)方法、關(guān)鍵參數(shù)、核心數(shù)據(jù)（力-應(yīng)變曲線）及其與理論預(yù)測失效模式的對應(yīng)關(guān)系（斷裂 vs 脫粘），是材料力學(xué)和界面科學(xué)研究中非常典型的表達(dá)方式。
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圖4. 臨界焊接參數(shù)條件與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
解析：
這個(gè)簡短的圖標(biāo)題清晰地概括了圖4的核心內(nèi)容：
一、“臨界焊接參數(shù)條件” (The critical welding parameter conditions):
1、指的是實(shí)現(xiàn)可靠焊接（焊接強(qiáng)度足夠高，失效發(fā)生在CNT本體而非界面）所需滿足的關(guān)鍵參數(shù)范圍或閾值。這些參數(shù)通?；趫D3中提到的“臨界焊接參數(shù)方程”推導(dǎo)或總結(jié)而來。
2、可能的表現(xiàn)形式： 在圖中很可能會展示一個(gè)參數(shù)空間圖（例如，以重疊長度l為X軸，以臨界力或臨界應(yīng)變?yōu)閅軸），并標(biāo)示出區(qū)分“焊接成功/界面牢固”（CNT本體斷裂）和“焊接失敗/界面脫粘”的臨界邊界線或區(qū)域。也可能列出具體的參數(shù)閾值范圍表。
二、“與實(shí)驗(yàn)結(jié)果” (and the experimental results):
1、指的是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中測量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
2、與“臨界條件”的關(guān)系： 這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)會被繪制在同一個(gè)參數(shù)空間圖（如上所述）中。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表一次焊接測試的結(jié)果（成功：CNT斷裂；失?。航缑婷撜常┘捌鋵?yīng)的參數(shù)值（如l, 測得的力/應(yīng)變）。
3、目的： 將理論預(yù)測或模型計(jì)算的臨界條件（邊界線/區(qū)域）與實(shí)際觀測到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（數(shù)據(jù)點(diǎn)）進(jìn)行直接對比。這是驗(yàn)證圖3標(biāo)題中提到的“臨界焊接參數(shù)方程”是否正確、臨界條件設(shè)定是否合理的關(guān)鍵步驟。
三、圖4的整體意義：
1、這張圖是整個(gè)研究的核心驗(yàn)證環(huán)節(jié)。它旨在通過直觀的圖形化方式，展示理論模型（臨界參數(shù)條件）與實(shí)際焊接測試結(jié)果之間的吻合程度。
2、成功驗(yàn)證的標(biāo)志： 如果代表“成功焊接”（CNT斷裂）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分落在理論預(yù)測的“牢固焊接”區(qū)域內(nèi)，而代表“失敗焊接”（界面脫粘）的數(shù)據(jù)點(diǎn)落在“脫粘”區(qū)域或臨界邊界線以下，則有力地證明了“臨界焊接參數(shù)方程”的有效性和臨界條件的準(zhǔn)確性。
3、定量表征焊接工藝窗口： 最終，該圖能夠定量地定義出獲得高強(qiáng)度焊接接頭所需的工藝參數(shù)（如最小重疊長度、所需施加的最小力/應(yīng)變等），為實(shí)際應(yīng)用中的焊接工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。
圖4標(biāo)題簡潔但信息量極大。它表明該圖將理論推導(dǎo)的臨界焊接參數(shù)條件（如區(qū)分焊接成功與失敗的邊界） 與實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果（數(shù)據(jù)點(diǎn)） 進(jìn)行可視化對比。這種對比是驗(yàn)證焊接理論模型的核心方法，其結(jié)果直接決定了所提出的“臨界焊接參數(shù)方程”的有效性，并為可靠的CNT焊接工藝提供了定量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。圖中很可能包含一個(gè)參數(shù)空間圖（如力/應(yīng)變 vs. 重疊長度），上面繪制了臨界邊界線和代表不同失效模式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
本文報(bào)道了基于FCVDS的CNT范德華力焊接技術(shù)。該技術(shù)簡單、經(jīng)濟(jì)、適用于環(huán)境條件、無需壓力，并能在幾秒鐘內(nèi)焊接具有宏觀尺度的CNT。焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度接近CNT的拉伸強(qiáng)度，這是目前納米焊接領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的最高強(qiáng)度。本研究將為納米焊接領(lǐng)域提供新的見解，并有利于CNT基結(jié)構(gòu)應(yīng)用和高強(qiáng)度韌性材料的制造。https://doi.org/10.1002/adma.202502638
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
