The mechanical properties of carbon nanotubes such as low density, high stiffness, and exceptional strength make them ideal candidates for reinforcement material in a wide range of high-performance composites. Molecular dynamics simulations are used to predict the tensile response of fibers composed of aligned carbon nanotubes with intermolecular bonds of interstitial carbon atoms. The effects of bond density and carbon nanotube length distribution on fiber strength and stiffness are investigated. The interstitial carbon bonds significantly increase load transfer between the carbon nanotubes over that obtained with van der Waals forces. The simulation results indicate that fibers with tensile strengths to 60 GPa could be produced by employing interstitial cross-link atoms. The elastic modulus of the fibers is also increased by the bonds.

1.
S.
Iijima
,
Nature (London)
354
,
56
(
1991
).
2.
S.
Iijima
and
T.
Ichihashi
,
Nature (London)
363
,
603
(
1993
).
3.
D.
Bethune
,
C.
Kiang
,
M. D.
Vries
,
G.
Gorman
,
R.
Savoy
,
J.
Vazquez
, and
R.
Beyers
,
Nature (London)
363
,
605
(
1993
).
4.
M.
Monthioux
and
V. L.
Kuznetsov
,
Carbon
44
,
1621
(
2006
).
5.
A.
Krishnan
,
E.
Dujardin
,
T. W.
Ebbesen
,
P. N.
Yianilos
, and
M. M. J.
Treacy
,
Phys. Rev. B
58
,
14013
(
1998
).
6.
M. M. J.
Treacy
,
T. W.
Ebbesen
, and
J. M.
Gibson
,
Nature (London)
381
,
678
(
1996
).
7.
R. W.
Haskins
,
R. S.
Maier
,
R. M.
Ebeling
,
C. P.
Marsh
,
D. L.
Majure
,
A. J.
Bednar
,
C. R.
Welch
,
B. C.
Barker
, and
D. T.
Wu
,
J. Chem. Phys.
127
,
074708
(
2007
).
8.
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Dresselhaus
,
J. C.
Charlier
, and
E.
Hernandez
,
Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A
362
,
2065
(
2004
).
9.
D.
Qian
,
W. K.
Liu
, and
R. S.
Ruoff
,
Compos. Sci. Technol.
63
,
1561
(
2003
).
10.
L. M.
Ericson
,
H.
Fan
,
H.
Peng
,
V. A.
Davis
,
W.
Zhou
,
J.
Sulpizio
,
Y.
Wang
,
R.
Booker
,
J.
Vavro
,
C.
Guthy
,
A. N. G.
Parra-Vasquez
,
M. J.
Kim
,
S.
Ramesh
,
R. K.
Saini
,
C.
Kittrel
,
G.
Lavin
,
H.
Schmidt
,
W. W.
Adams
,
W. E.
Billups
,
M.
Pasquali
,
W. F.
Hwang
,
R. H.
Hauge
,
J. E.
Fischer
, and
R. E.
Smalley
,
Science
305
,
1447
(
2003
).
11.
K.
Koziol
,
J.
Vilatela
,
A.
Moisala
,
M.
Motta
,
P.
Cunniff
,
M.
Sennett
, and
A.
Windle
,
Science
318
,
1892
(
2007
).
12.
S.
Zhang
,
L.
Zhu
,
M. L.
Minus
,
H. G.
Chae
,
S.
Jagannathan
,
C.-P.
Wong
,
J.
Kowalik
,
L. B.
Roberson
, and
S.
Kumar
,
J. Mater. Sci.
43
,
4356
(
2008
).
13.
D. A.
Walters
,
L. M.
Ericson
,
M. J.
Casavant
,
J.
Liu
,
D. T.
Colbert
,
K. A.
Smith
, and
R. E.
Smalley
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
3803
(
1999
).
14.
M.-F.
Yu
,
B. I.
Yakobson
, and
R. S.
Ruoff
,
J. Phys. Chem. B
104
,
8764
(
2000
).
15.
M.-F.
Yu
,
O.
Lourie
,
M. J.
Dyer
,
K.
Moloni
,
T. F.
Kelly
, and
R. S.
Ruoff
,
Science
287
,
637
(
2000
).
16.
D.
Qian
,
G. J.
Wagner
,
W. K.
Liu
,
M.-F.
Yu
, and
R. S.
Ruoff
,
Appl. Mech. Rev.
55
,
495
(
2002
).
17.
B. I.
Yakobson
,
G.
Samsonidze
, and
G. G.
Samsonidze
,
Carbon
38
,
1675
(
2000
).
18.
Z.
Liu
and
L.-C.
Qin
,
Carbon
43
,
2146
(
2005
).
19.
M.
Zhang
,
K. R.
Atkinson
, and
R. H.
Baughman
,
Science
306
,
1358
(
2004
).
20.
X.
Zhang
,
Q.
Li
,
Y.
Tu
,
Y.
Li
,
J. Y.
Coulter
,
L.
Zheng
,
Y.
Zhao
,
Q.
Jia
,
D. E.
Peterson
, and
Y.
Zhu
,
Small
3
,
244
(
2007
).
21.
J.
Kleis
,
E.
Schrüder
, and
P.
Hyldgaard
,
Phys. Rev. B
77
,
205422
(
2008
).
22.
X.
Zhang
and
Q.
Li
,
ACS Nano
4
,
312
(
2009
).
23.
S. J.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
24.
J. S.
Stuart
,
A. B.
Tutein
, and
J. A.
Harrison
,
J. Chem. Phys.
112
,
6472
(
2000
).
25.
B. I.
Yakobson
,
C. J.
Brabec
, and
J.
Bernholc
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
2511
(
1996
).
26.
B. I.
Yakobson
,
M. P.
Campbell
,
C. J.
Brabec
, and
J.
Bernholc
,
Comput. Mater. Sci.
8
,
341
(
1997
).
27.
C. F.
Cornwell
and
L. T.
Wille
,
Solid State Commun.
101
,
555
(
1997
).
28.
A.
Garg
,
J.
Han
, and
S. B.
Sinnott
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
2260
(
1998
).
29.
LAMMPS Molecular Dynamics Simulator, http://lammps.sandia.gov/ (accessed January 25,
2011
) (Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM).
30.
C. F.
Cornwell
,
R. W.
Haskins
,
R. A.
Kirgan
,
J. B.
Allen
, and
C. R.
Welch
, in
Proceedings of the 2009 DoD High Performance Computing Modernization Program Users Group Conference, San Diego, CA, 15–18 June 2009
(
IEEE Computer Society
,
Los Alamitos, CA
,
2009
), pp.
190
196
.
31.
A.
Kis
,
G.
Csanyi
,
J. P.
Salvetat
,
T. N.
Lee
,
E.
Couteau
,
A. J.
Kulik
,
W.
Benoit
,
J.
Brugger
, and
L.
Forro
,
Nature Mater.
3
,
153
(
2004
).
32.
A. V.
Krasheninnikov
,
K.
Nordlund
,
J.
Keinonen
, and
F.
Banhart
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
202
,
224
(
2003
).
33.
M.
Sammalkorpi
,
A. V.
Krasheninnikov
,
A.
Kuronen
,
K.
Nordlund
, and
K.
Kaski
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
228
,
142
(
2005
).
34.
S. K.
Pregler
and
S. B.
Sinnott
,
Phys. Rev. B
73
,
224106
(
2006
).
35.
B.
Peng
,
M.
Locascio
,
P.
Zapol
,
S.
Li
,
S. L.
Mielke
,
G. C.
Schatz
, and
H. D.
Espinosa
,
Nat.Nanotechnol.
3
,
626
(
2008
).
36.
A.
Thess
,
R.
Lee
,
P.
Nikolaev
,
H.
Dai
,
P.
Petit
,
J.
Robert
,
C.
Xu
,
Y. H.
Lee
,
S. G.
Kim
,
A. G.
Rinzler
,
D. T.
Colbert
,
G. E.
Scuseria
,
D.
Tomanek
,
J. E.
Fischer
, and
R. E.
Smalley
,
Science
273
,
483
(
1996
).
37.
H. J. C.
Berendsen
,
J. P. M.
Postma
,
W. F.
van Gunsteren
,
A.
DiNola
, and
J. R.
Haak
,
J. Chem. Phys.
81
,
3684
(
1984
).
38.
K.
Mylvaganam
and
L. C.
Zhang
,
Carbon
42
,
2025
(
2004
).
39.
A.
Garg
and
S. B.
Sinnott
,
Phys. Rev. B
60
,
13786
(
1999
).
40.
T.
Vodenitcharova
,
K.
Mylvaganam
, and
L. C.
Zhang
,
J. Mater. Sci.
42
,
4935
(
2007
).
41.
B.
Ni
and
S. B.
Sinnott
,
Phys. Rev. B
61
,
343
(
2000
).
42.
M.
Huhtala
,
A. V.
Krasheninnikov
,
J.
Aittoniemi
,
S. J.
Stuart
,
K.
Nordlund
, and
K.
Kaski
,
Phys. Rev. B
70
,
045404
(
2004
).
43.
J. A.
Astrom
,
A. V.
Krasheninnikov
, and
K.
Nordlund
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
215503
(
2004
).
You do not currently have access to this content.