随着納米材料的快速發展，基于納米單元自下而上組裝構建而成的宏觀體材料展現出不同于傳統材料的諸多特異性能，其中基于碳納米管網絡結構的各類宏觀體，如纖維、薄膜、海綿、氣凝膠等，展現出了豐富的力、電、熱功能特性，已成為發展結構功能一體化的重要基礎材料。在這類材料中，碳管之間是以共價或非共價作用相互連接，形成典型的交聯網絡結構（cross-linked networks）。然而由于交聯網絡結構的複雜性，其力學行為無法利用傳統材料的連續介質理論進行描述，因此認知影響其力學性能的關鍵結構因素仍然面臨着挑戰。近年來諸多研究表明，随着交聯密度的改變，碳管宏觀材料表現出截然不同的力學性質，如剛性與柔性、脆性與韌性、彈性與塑性等，更使得開展交聯網絡力學行為的相關理論研究迫在眉睫。
近日，我院趙軍華教授團隊和東華大學張骁骅研究員、南京航空航天大學郭萬林院士團隊合作在ACS Nano上發表了基于圖論思想發展碳管網絡力學的傳載連通性理論的研究成果。論文利用課題組前期建立的粗粒化分子動力學方法（J. Mech. Phys. Solids 2019, 128, 79-104）模拟了不同交聯密度下碳管網絡的力學行為，揭示出随着交聯密度的增加，碳管網絡展現出四種不同承載方式主導的力學行為，從而構建了由交聯密度決定的力學“相圖”。
基于粗粒化分子動力學模拟及實驗驗證，研究團隊揭示了碳管網絡随其交聯密度變化而形成的不同力學行為，構建了交聯網絡力學相圖，發現了交聯密度存在滲流、連通及飽和等阈值，并借鑒圖論連通性理論闡明了不同阈值下應力傳載的特性及傳載通路的構建規律。該研究不僅揭示出影響碳管網絡力學的關鍵結構因素，也為組裝結構材料的力學行為研究提供了一種嶄新的研究思路，有望推動結構功能一體化材料的進一步發展。
圖1.不同交聯密度和拉伸應變下碳管網絡主導變形模式的“相圖”和韌脆轉變的模拟圖。
圖2.粗粒化分子動力學模拟中（a）交聯碳管網絡（Ncro =1.66）在應變為3.34時的應力雲圖和局部放大圖。（b）連續載荷傳遞路徑示意圖。負載和非負載團簇分别以紅色和藍色表示。碳管網絡中交聯密度與（c）團簇數量和（d）團簇因子關系曲線。
相關論文發表在ACS Nano上，江南大學博士研究生紀加超為文章的第一作者，張骁骅研究員、趙軍華教授和郭萬林院士為共同通訊作者。
