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)強度最高和韌性最好的材料，其宏觀強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，單根碳納米管的疲勞行為以及疲勞破壞機制研究是該領(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)斷裂強度的情況下發(fā)生，探究疲勞行為和潛在的破壞機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。

　　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研究發(fā)展計劃資助。

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