碳納米管（CNT）束和纖維的強度通常遠低于單根碳納米管，這是由于CNT組件的短長度導致其組裝強度僅由CNT之間的弱剪切相互作用貢獻。本文報道了一種使用TiO?納米顆粒作為焊料的快速化學氣相沉積自組裝（FCVDS）技術來焊接CNT。該技術簡單、快速、無需壓力、適用于環境條件，并能焊接具有宏觀尺度的樣品。焊接接頭的機械強度接近單根CNT的拉伸強度。TiO?與CNT之間的界面相互作用僅由范德華力貢獻，避免了破壞CNT的無缺陷結構。焊料質量可僅占焊接CNT的約1wt%。
碳納米管以其超過100GPa的拉伸強度和超過1TPa的楊氏模量，被認為是迄今為止發現的最強材料之一，也是唯一可能幫助我們實現太空電梯夢想的材料。此外，超強纖維還可用于防彈背心、機身、懸索橋、飛輪儲能等應用。在宏觀尺度上制造具有與單根CNT相當機械強度的CNT纖維一直是一個巨大挑戰。盡管過去二十年中為此付出了許多努力，但獲得的CNT纖維的拉伸強度通常僅有幾GPa，遠低于單根CNT。CNT片段的長度已被證明對CNT纖維的強度有很大影響。由于CNT片段的長度通常遠小于整個纖維的長度，且纖維的強度實際上是由低剪切模量貢獻的，因此探索將CNT片段端對端連接的可能性以保持其超高強度是一個更好的選擇。
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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的光學顯微鏡圖像。c）TiO2的SEM圖像納米顆粒。d–f）由兩個納米顆粒修飾的碳納米管組成的碳納米管束的光學顯微鏡圖像。d）8秒，e）5秒，f）2.5秒，插圖顯示單個部件的分支結構和清潔表面的SEM圖像。g）由三個碳納米管組成的碳納米管束的光學顯微鏡圖像CNT。a是從束/單個部分上的位置到襯底溝槽邊緣的距離。h）CNT束的光學顯微鏡圖像特定的“雙y”結構。i）通過FCVDS焊接的碳納米管的光學顯微鏡圖像。j–m）焊接碳納米管的圖示。（j）中的插圖是光學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)所示測量機理示意圖。
c) 切割前后‘單Y型’碳納米管束(CNTB)的光學圖像，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），詳細描述了圖2中各個子圖的內容和實驗方法。以下是逐點解析：
圖標題 (Figure 2):
-> 碳納米管(CNTs)與二氧化鈦(TiO?)相互作用的測量: 清晰點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（很可能是力學相互作用，如剪切力、粘附力等）。
圖a & b:
-> 圖(a)和(b)所示測量機理示意圖: 指明了圖a和圖b是解釋整個測量過程工作原理的示意圖。它們通常展示儀器設置、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構的碳納米管束，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。說明實驗中對這個“單Y型”管束進行了切割操作。
· 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: 光學圖像。說明圖c是使用光學顯微鏡拍攝的實際照片，直觀顯示了切割前后管束的形態變化。
圖d:
-> ‘單Y型’碳納米管束(CNTB)的拉曼光譜: 顯示了對同一個“單Y型”碳納米管束進行拉曼光譜測試的結果。拉曼光譜可以提供材料的晶體結構、缺陷、應力等信息，可能用于表征管束的質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系圖:
· 這是核心數據圖。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。通常是一個曲線圖或散點圖。
-> 誤差棒由剪力測量值的不確定性確定:
· 誤差棒。圖中代表數據點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這些測量不確定性計算出來的。
圖f:
-> 利用TiO?球焊接CNTs的策略示意圖: 這是另一個示意圖。
· 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。這是關鍵點，暗示了一種新穎的應用：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）和力學測試（圖e的核心數據及其原理圖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提出了一種創新的應用策略：利用TiO?小球作為媒介來焊接/連接CNTs。圖e中的剪切力-接觸面積關系圖是定量理解兩者相互作用強度的關鍵數據，誤差棒則提供了數據的可靠性信息。整個圖2系統地闡述了從測量機理到數據分析，再到創新應用設想的研究過程。
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圖3. 臨界焊接參數方程的實驗驗證演示。
a-c) 測量技術示意圖。(c)圖中的插圖為測量過程的光學圖像。l和δ分別表示重疊（束）長度和力懸臂梁尖端的偏轉位移。d) 碳納米管(CNT)斷裂模式和界面脫粘模式的典型力-應變曲線。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，描述了實驗如何驗證一個關鍵的焊接參數方程。以下是逐點解析：
1、圖標題 (Figure 3):
-> 臨界焊接參數方程的實驗驗證演示: 點明該圖的核心目的是通過實驗來驗證一個被稱為“臨界焊接參數方程”的理論公式。這個方程很可能定義了實現成功焊接（而非破壞）所需滿足的關鍵條件參數（如力、應變、接觸長度等）。
2、圖a, b & c:
-> 測量技術示意圖: 表明圖a,b,c展示了用于測量焊接強度和失效模式的實驗裝置或方法的示意圖。
-> (c)圖中的插圖為測量過程的光學圖像:
特別指出圖c中還包含插圖(insets)，這些插圖是實驗過程（例如施加力、觀察斷裂）的實際光學顯微照片，提供了直觀的實驗現象記錄。
-> l和δ分別表示重疊（束）長度和力懸臂梁尖端的偏轉位移:
· 重疊長度（或束長度）。這是指參與焊接的兩個CNT片段相互重疊接觸的長度，或者一個CNT束內纖維間相互作用的長度。這是焊接界面面積的一個關鍵度量。
· δ (deflection of the force cantilever tip): 力懸臂梁尖端的偏轉位移。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（如焊接強度）的核心參數。懸臂梁尖端的偏轉量δ通過其彈性系數可以換算成施加或承受的力F(F = k * δ, k是彈性系數)。δ本質上代表應變或變形。
· 分別。明確指出l對應重疊長度，δ對應懸臂梁尖端偏轉位移。
3、圖d:
-> 碳納米管(CNT)斷裂模式和界面脫粘模式的典型力-應變曲線:
*Force-strain curves: 力-應變曲線。這是材料力學測試中最核心的圖表類型，縱軸是力F（或應力σ），橫軸是應變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，破壞發生在碳納米管本體內部，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，強調了數據的可靠性。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驗驗證一個關鍵的焊接參數理論方程（圖3標題）。
*測量方法： 圖a-c展示了實驗裝置的示意圖，其中圖c還包含了實際測量過程的光學顯微鏡照片（插圖）。關鍵測量參數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位移δ（即應變）。
*核心數據： 圖d呈現了核心實驗結果——力-應變曲線。這些曲線清晰地展示了兩種不同的失效模式：
CNT斷裂模式： 力達到很高值后曲線突然下降，表示CNT本體發生斷裂。此時的峰值力代表了CNT本身的強度。
界面脫粘模式： 力達到一個相對較低的值后曲線下降，表示焊接界面發生脫粘失效。此時的峰值力代表了焊接界面的強度（或粘結強度）。
*臨界參數的驗證： 通過比較這兩種模式發生的條件（特定的l, δ/應變以及對應的峰值力），并與理論方程預測的臨界值進行比較，即可驗證該方程是否能準確預測焊接成功（界面強度高于CNT本體強度，發生CNT斷裂）或焊接失敗（界面強度低于CNT本體強度，發生界面脫粘）的界限。圖d中的誤差棒為這一驗證提供了數據可靠性保障。
三、這段圖注結構清晰，完整描述了驗證關鍵理論所需的實驗方法、關鍵參數、核心數據（力-應變曲線）及其與理論預測失效模式的對應關系（斷裂 vs 脫粘），是材料力學和界面科學研究中非常典型的表達方式。
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圖4. 臨界焊接參數條件與實驗結果。
解析：
這個簡短的圖標題清晰地概括了圖4的核心內容：
一、“臨界焊接參數條件” (The critical welding parameter conditions):
1、指的是實現可靠焊接（焊接強度足夠高，失效發生在CNT本體而非界面）所需滿足的關鍵參數范圍或閾值。這些參數通常基于圖3中提到的“臨界焊接參數方程”推導或總結而來。
2、可能的表現形式： 在圖中很可能會展示一個參數空間圖（例如，以重疊長度l為X軸，以臨界力或臨界應變為Y軸），并標示出區分“焊接成功/界面牢固”（CNT本體斷裂）和“焊接失敗/界面脫粘”的臨界邊界線或區域。也可能列出具體的參數閾值范圍表。
二、“與實驗結果” (and the experimental results):
1、指的是在實際實驗中測量得到的數據點。
2、與“臨界條件”的關系： 這些實驗數據點會被繪制在同一個參數空間圖（如上所述）中。每個數據點代表一次焊接測試的結果（成功：CNT斷裂；失敗：界面脫粘）及其對應的參數值（如l, 測得的力/應變）。
3、目的： 將理論預測或模型計算的臨界條件（邊界線/區域）與實際觀測到的實驗結果（數據點）進行直接對比。這是驗證圖3標題中提到的“臨界焊接參數方程”是否正確、臨界條件設定是否合理的關鍵步驟。
三、圖4的整體意義：
1、這張圖是整個研究的核心驗證環節。它旨在通過直觀的圖形化方式，展示理論模型（臨界參數條件）與實際焊接測試結果之間的吻合程度。
2、成功驗證的標志： 如果代表“成功焊接”（CNT斷裂）的實驗數據點大部分落在理論預測的“牢固焊接”區域內，而代表“失敗焊接”（界面脫粘）的數據點落在“脫粘”區域或臨界邊界線以下，則有力地證明了“臨界焊接參數方程”的有效性和臨界條件的準確性。
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度焊接接頭所需的工藝參數（如最小重疊長度、所需施加的最小力/應變等），為實際應用中的焊接工藝優化提供科學依據。
圖4標題簡潔但信息量極大。它表明該圖將理論推導的臨界焊接參數條件（如區分焊接成功與失敗的邊界） 與實際焊接實驗的測量結果（數據點） 進行可視化對比。這種對比是驗證焊接理論模型的核心方法，其結果直接決定了所提出的“臨界焊接參數方程”的有效性，并為可靠的CNT焊接工藝提供了定量的設計準則。圖中很可能包含一個參數空間圖（如力/應變 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驗數據點。
本文報道了基于FCVDS的CNT范德華力焊接技術。該技術簡單、經濟、適用于環境條件、無需壓力，并能在幾秒鐘內焊接具有宏觀尺度的CNT。焊接接頭的機械強度接近CNT的拉伸強度，這是目前納米焊接領域實現的最高強度。本研究將為納米焊接領域提供新的見解，并有利于CNT基結構應用和高強度韌性材料的制造。https://doi.org/10.1002/adma.202502638
轉自《石墨烯研究》公眾號
