近日，清華大學(xué)化工系魏飛教授和張如范副教授團(tuán)隊在碳納米管耐疲勞性能研究方面取得重大突破，首次以實(shí)驗形式測試了厘米級長度單根碳納米管的超耐疲勞性能。相關(guān)成果以“超耐久性的超長碳納米管”（Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes）為題，于8月28日在線發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。

　　超強(qiáng)超韌和超耐疲勞性能的材料，在航空航天、軍事裝備、防彈衣、大型橋梁、運(yùn)動器材、人造肌肉等眾多領(lǐng)域都面臨巨大的需求。碳納米管是典型的一維納米材料，也是目前已知的力學(xué)強(qiáng)度最高和韌性最好的材料，其宏觀強(qiáng)度和韌性均比目前廣泛使用的碳纖維和芳綸等材料高出一個數(shù)量級以上。然而，由于其小尺寸特性以及難以被測試的特點(diǎn)，單根碳納米管的疲勞行為以及疲勞破壞機(jī)制研究是該領(lǐng)域長期未能搞清楚的重大難題。由于疲勞可以在應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于靜態(tài)斷裂強(qiáng)度的情況下發(fā)生，探究疲勞行為和潛在的破壞機(jī)制對于新材料的長期可靠性評估及應(yīng)用具有極為重要的意義。

　　為開展單根厘米級長度碳納米管的疲勞力學(xué)行為測試，研究團(tuán)隊設(shè)計搭建了一個非接觸式聲學(xué)共振測試系統(tǒng)（non-contact acoustic-resonance-test，ART）。與基于電子顯微鏡的納米材料測試系統(tǒng)相比，ART系統(tǒng)具有多方面優(yōu)勢，該系統(tǒng)不僅避免了電子束導(dǎo)致的樣品損傷，也使得厘米長度的一維納米材料的疲勞測試成為可能，同時還解決了小尺寸樣品夾持以及高周次循環(huán)載荷的施加問題。

　　圖1. 超長碳納米管的耐疲勞性能。（A-E）厘米級超長碳納米管樣品；（F-G）非接觸式聲學(xué)共振測試系統(tǒng)機(jī)理示意圖；（H-I）超長碳納米管的耐疲勞性能。

　　該研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管展現(xiàn)出驚人的超耐疲勞特性。在大應(yīng)變循環(huán)拉伸測試條件下，單根碳納米管可以被連續(xù)拉伸上億次而不發(fā)生斷裂，并且在去掉載荷后，其依然能保持初始的超高抗拉強(qiáng)度，耐疲勞性優(yōu)于目前所有工程纖維材料。與一般傳統(tǒng)材料的疲勞損傷累積機(jī)制不同，其疲勞破壞呈現(xiàn)出整體破壞性，不存在損傷累積過程，初始缺陷的生成對碳納米管的疲勞壽命起主導(dǎo)作用。此外，其耐疲勞性受到溫度影響，表現(xiàn)出隨著溫度升高而下降的特點(diǎn)。

　　圖2. 超長碳納米管在不同溫度下的疲勞行為

　　這項工作揭示了超長碳納米管用于制造超強(qiáng)超耐疲勞纖維的光明前景，同時為碳納米管在許多領(lǐng)域應(yīng)用的壽命設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。

　　論文通訊作者為清華大學(xué)化工系教授魏飛和副教授張如范，第一作者為清華大學(xué)化工系2016級博士生白云祥，其他參與研究的作者包括清華大學(xué)化工系碩士生岳鴻杰、博士生申博淵、孫斯磊，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李喜德教授、徐志平教授、王海東副教授以及博士生王進(jìn)、王識君。

　　該研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會和科技部國家重點(diǎn)研究發(fā)展計劃資助。

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