碳纳米管（CNT）束和纤维的强度通常远低于单根碳纳米管，这是由于CNT组件的短长度导致其组装强度仅由CNT之间的弱剪切相互作用贡献。本文报道了一种使用TiO₂纳米颗粒作为焊料的快速化学气相沉积自组装（FCVDS）技术来焊接CNT。该技术简单、快速、无需压力、适用于环境条件，并能焊接具有宏观尺度的样品。焊接接头的机械强度接近单根CNT的拉伸强度。TiO₂与CNT之间的界面相互作用仅由范德华力贡献，避免了破坏CNT的无缺陷结构。焊料质量可仅占焊接CNT的约1wt%。
      碳纳米管以其超过100GPa的拉伸强度和超过1TPa的杨氏模量，被认为是迄今为止发现的最强材料之一，也是唯一可能帮助我们实现太空电梯梦想的材料。此外，超强纤维还可用于防弹背心、机身、悬索桥、飞轮储能等应用。在宏观尺度上制造具有与单根CNT相当机械强度的CNT纤维一直是一个巨大挑战。尽管过去二十年中为此付出了许多努力，但获得的CNT纤维的拉伸强度通常仅有几GPa，远低于单根CNT。CNT片段的长度已被证明对CNT纤维的强度有很大影响。由于CNT片段的长度通常远小于整个纤维的长度，且纤维的强度实际上是由低剪切模量贡献的，因此探索将CNT片段端对端连接的可能性以保持其超高强度是一个更好的选择。
 
 
图1。a）超长CNT的SEM图像。b）用纳米颗粒（NP）装饰的CNT的光学显微镜图像。c）TiO2的SEM图像纳米颗粒。d–f）由两个纳米颗粒修饰的碳纳米管组成的碳纳米管束的光学显微镜图像。d）8秒，e）5秒，f）2.5秒，插图显示单个部件的分支结构和清洁表面的SEM图像。g）由三个碳纳米管组成的碳纳米管束的光学显微镜图像CNT。a是从束/单个部分上的位置到衬底沟槽边缘的距离。h）CNT束的光学显微镜图像特定的“双y”结构。i）通过FCVDS焊接的碳纳米管的光学显微镜图像。j–m）焊接碳纳米管的图示。（j）中的插图是光学接合处的显微镜图像。
 
 
图2. 碳纳米管(CNTs)与二氧化钛(TiO₂)相互作用的测量。‌
‌a, b)‌ 图(a)和(b)所示测量机理示意图。
‌c)‌ 切割前后‘单Y型’碳纳米管束(CNTB)的光学图像，切割操作如图(a)和图(b)所示。
‌d)‌ ‘单Y型’碳纳米管束(CNTB)的拉曼光谱。
‌e)‌ TiO₂与CNTs之间的剪切力随接触面积的变化关系图。误差棒由剪力测量值的不确定性确定。
‌f)‌ 利用TiO₂球焊接CNTs的策略示意图。
‌解析：‌
这段文字是图2的图注（Figure Caption），详细描述了图2中各个子图的内容和实验方法。以下是逐点解析：
‌图标题 (Figure 2):
 -> 碳纳米管(CNTs)与二氧化钛(TiO₂)相互作用的测量: 清晰点明了整张图的核心主题是研究碳纳米管（CNTs）和二氧化钛（TiO₂）两种材料之间的相互作用力（很可能是力学相互作用，如剪切力、粘附力等）。
‌图a & b:
 -> 图(a)和(b)所示测量机理示意图: 指明了图a和图b是解释整个测量过程工作原理的示意图。它们通常展示仪器设置、操作步骤（如切割CNTs）或力的加载方式。
‌图c:
 -> 切割前后‘单Y型’碳纳米管束(CNTB)的光学图像，切割操作如图(a)和图(b)所示:
· 'single-y' type CNTB: ‘单Y型’碳纳米管束(CNTB)。这描述了一种特定结构的碳纳米管束，形状类似字母“Y”。CNTB 是 Carbon Nanotube Bundle (碳纳米管束) 的缩写。
· before and after cut: 切割前后。说明实验中对这个“单Y型”管束进行了切割操作。
· illustrated in (a) and (b): 切割操作如图(a)和图(b)所示。明确指出切割操作的示意在图a和/或图b中展示。
· Optical images: 光学图像。说明图c是使用光学显微镜拍摄的实际照片，直观显示了切割前后管束的形态变化。
‌图d:
 -> ‘单Y型’碳纳米管束(CNTB)的拉曼光谱: 显示了对同一个“单Y型”碳纳米管束进行拉曼光谱测试的结果。拉曼光谱可以提供材料的晶体结构、缺陷、应力等信息，可能用于表征管束的质量或切割前后有无明显变化。
‌图e:
 -> TiO₂与CNTs之间的剪切力随接触面积的变化关系图:
· 这是核心数据图。展示了测量得到的剪切力（Shear force）如何随着二氧化钛（TiO₂）和碳纳米管（CNTs）之间的接触面积（Contact area）变化而变化。通常是一个曲线图或散点图。
 -> 误差棒由剪力测量值的不确定性确定:
· 误差棒。图中代表数据点测量不确定性的竖直或水平线段。
· 剪力测量值的不确定性。说明了误差的来源是剪切力测量本身存在的误差（如仪器精度、操作误差等）。
· 确定。表明误差棒的大小是根据这些测量不确定性计算出来的。
‌图f:
 -> 利用TiO₂球焊接CNTs的策略示意图: 这是另一个示意图。
· 策略。指代方法或方案。
· 利用TiO₂球。表明使用二氧化钛制成的微球或纳米球作为工具或媒介。
· to weld CNTs: 焊接CNTs。这是关键点，暗示了一种新颖的应用：使用TiO₂小球作为“焊料”或“热源”，通过某种方式（可能是激光诱导加热、施加压力并加热等）将不同的碳纳米管连接（“焊接”）在一起。图f会展示这种焊接策略的构想图。
这段图注描述了研究者如何通过显微镜观察（图c）、光谱分析（图d）和力学测试（图e的核心数据及其原理图a,b）来表征CNTs与TiO₂之间的相互作用（尤其是剪切力）。特别值得注意的是，图f提出了一种创新的应用策略：利用TiO₂小球作为媒介来焊接/连接CNTs。图e中的剪切力-接触面积关系图是定量理解两者相互作用强度的关键数据，误差棒则提供了数据的可靠性信息。整个图2系统地阐述了从测量机理到数据分析，再到创新应用设想的研究过程。
 
 
图3. 临界焊接参数方程的实验验证演示。‌
‌a-c)‌ 测量技术示意图。(c)图中的插图为测量过程的光学图像。l和δ分别表示重叠（束）长度和力悬臂梁尖端的偏转位移。‌d)‌ 碳纳米管(CNT)断裂模式和界面脱粘模式的典型力-应变曲线。误差棒由力测量值的不确定性确定。
‌解析：‌
一、这段文字是图3的图注，描述了实验如何验证一个关键的焊接参数方程。以下是逐点解析：
1、‌图标题 (Figure 3):
 -> 临界焊接参数方程的实验验证演示: 点明该图的核心目的是通过实验来验证一个被称为“临界焊接参数方程”的理论公式。这个方程很可能定义了实现成功焊接（而非破坏）所需满足的关键条件参数（如力、应变、接触长度等）。
2、‌图a, b & c:
 -> 测量技术示意图: 表明图a,b,c展示了用于测量焊接强度和失效模式的实验装置或方法的示意图。
 -> (c)图中的插图为测量过程的光学图像:
 特别指出图c中还包含‌插图(insets)‌，这些插图是实验过程（例如施加力、观察断裂）的实际‌光学显微照片‌，提供了直观的实验现象记录。
 -> l和δ分别表示重叠（束）长度和力悬臂梁尖端的偏转位移:
· ‌重叠长度‌（或束长度）。这是指参与焊接的两个CNT片段相互重叠接触的长度，或者一个CNT束内纤维间相互作用的长度。这是焊接界面面积的一个关键度量。
· δ (deflection of the force cantilever tip): ‌力悬臂梁尖端的偏转位移‌。这通常是在原子力显微镜（AFM）或类似仪器中，用来测量微小作用力（如焊接强度）的核心参数。悬臂梁尖端的偏转量δ通过其弹性系数可以换算成施加或承受的力F(F = k * δ, k是弹性系数)。δ本质上代表‌应变‌或‌变形‌。
· 分别。明确指出l对应重叠长度，δ对应悬臂梁尖端偏转位移。
3、‌图d:
 -> 碳纳米管(CNT)断裂模式和界面脱粘模式的典型力-应变曲线:
 *Force-strain curves: ‌力-应变曲线‌。这是材料力学测试中最核心的图表类型，纵轴是力F（或应力σ），横轴是应变ε（或位移δ）。它展示了材料在受力过程中的变形行为直至失效。
 *CNT breaking mode: ‌碳纳米管断裂模式‌。指在测试中，破坏发生在碳纳米管‌本体‌内部，即CNT本身被拉断或剪切破坏。
 *Interfacial debonding mode: ‌界面脱粘模式‌。指在测试中，破坏发生在‌焊接界面‌处，即CNT与CNT之间（或CNT与其他材料之间）的焊接连接失效、脱开。
· *Typical: 典型的。说明图中展示的是这两种失效模式具有代表性的曲线。
 Error bars were determined based on the uncertainties in the measurements of forces -> 误差棒由力测量值的不确定性确定:
 与图2e类似，强调了数据的可靠性。误差棒的大小来源于力（F）测量本身的不确定度（仪器误差、噪声等）。
二、这段图注描述了如何通过实验验证一个关键的焊接参数理论方程（图3标题）。
*‌测量方法：‌ 图a-c展示了实验装置的示意图，其中图c还包含了实际测量过程的光学显微镜照片（插图）。关键测量参数包括焊接界面的重叠长度l和反映作用力大小的悬臂梁偏转位移δ（即应变）。
*‌核心数据：‌ 图d呈现了核心实验结果——力-应变曲线。这些曲线清晰地展示了两种不同的失效模式：
‌CNT断裂模式：‌ 力达到很高值后曲线突然下降，表示CNT本体发生断裂。此时的峰值力代表了CNT本身的强度。
‌界面脱粘模式：‌ 力达到一个相对较低的值后曲线下降，表示焊接界面发生脱粘失效。此时的峰值力代表了焊接界面的强度（或粘结强度）。
*‌临界参数的验证：‌ 通过比较这两种模式发生的条件（特定的l, δ/应变以及对应的峰值力），并与理论方程预测的临界值进行比较，即可验证该方程是否能准确预测焊接成功（界面强度高于CNT本体强度，发生CNT断裂）或焊接失败（界面强度低于CNT本体强度，发生界面脱粘）的界限。图d中的误差棒为这一验证提供了数据可靠性保障。
三、这段图注结构清晰，完整描述了验证关键理论所需的实验方法、关键参数、核心数据（力-应变曲线）及其与理论预测失效模式的对应关系（断裂 vs 脱粘），是材料力学和界面科学研究中非常典型的表达方式。
 
 
图4. 临界焊接参数条件与实验结果。‌
‌解析：‌
这个简短的图标题清晰地概括了图4的核心内容：
一、‌“临界焊接参数条件” (The critical welding parameter conditions):
 1、指的是实现‌可靠焊接‌（焊接强度足够高，失效发生在CNT本体而非界面）所需满足的‌关键参数范围或阈值‌。这些参数通常基于图3中提到的“临界焊接参数方程”推导或总结而来。
 2、可能的表现形式： 在图中很可能会展示一个‌参数空间图‌（例如，以重叠长度l为X轴，以临界力或临界应变为Y轴），并标示出区分“焊接成功/界面牢固”（CNT本体断裂）和“焊接失败/界面脱粘”的‌临界边界线或区域‌。也可能列出具体的参数阈值范围表。
二、‌“与实验结果” (and the experimental results):
 1、指的是在实际实验中测量得到的数据点。
 2、与“临界条件”的关系： 这些实验数据点会被‌绘制在同一个参数空间图‌（如上所述）中。每个数据点代表一次焊接测试的结果（成功：CNT断裂；失败：界面脱粘）及其对应的参数值（如l, 测得的力/应变）。
 3、目的： 将‌理论预测或模型计算的临界条件‌（边界线/区域）与‌实际观测到的实验结果‌（数据点）进行‌直接对比‌。这是验证图3标题中提到的“临界焊接参数方程”是否正确、临界条件设定是否合理的关键步骤。
三、‌图4的整体意义：
 1、这张图是‌整个研究的核心验证环节‌。它旨在通过直观的图形化方式，展示理论模型（临界参数条件）与实际焊接测试结果之间的‌吻合程度‌。
 2、‌成功验证的标志：‌ 如果代表“成功焊接”（CNT断裂）的实验数据点大部分落在理论预测的“牢固焊接”区域内，而代表“失败焊接”（界面脱粘）的数据点落在“脱粘”区域或临界边界线以下，则有力地证明了“临界焊接参数方程”的有效性和临界条件的准确性。
 3、‌定量表征焊接工艺窗口：‌ 最终，该图能够‌定量地定义‌出获得高强度焊接接头所需的工艺参数（如最小重叠长度、所需施加的最小力/应变等），为实际应用中的焊接工艺优化提供科学依据。
图4标题简洁但信息量极大。它表明该图将‌理论推导的临界焊接参数条件（如区分焊接成功与失败的边界）‌ 与‌实际焊接实验的测量结果（数据点）‌ 进行‌可视化对比‌。这种对比是验证焊接理论模型的核心方法，其结果直接决定了所提出的“临界焊接参数方程”的有效性，并为可靠的CNT焊接工艺提供了定量的设计准则。图中很可能包含一个参数空间图（如力/应变 vs. 重叠长度），上面绘制了临界边界线和代表不同失效模式的实验数据点。
 
       本文报道了基于FCVDS的CNT范德华力焊接技术。该技术简单、经济、适用于环境条件、无需压力，并能在几秒钟内焊接具有宏观尺度的CNT。焊接接头的机械强度接近CNT的拉伸强度，这是目前纳米焊接领域实现的最高强度。本研究将为纳米焊接领域提供新的见解，并有利于CNT基结构应用和高强度韧性材料的制造。https://doi.org/10.1002/adma.202502638

转自《石墨烯研究》公众号