近日，清華大學化工系教授魏飛、副教授張如範團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釐米級長度單根碳納米管的超耐疲勞性能。相關成果以「超耐久性的超長碳納米管」為題，於8月28日在線發表於國際頂級學術期刊《科學》。
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量級以上。
超長碳納米管的耐疲勞性能.（A-E）釐米級超長碳納米管樣品；（F-G）非接觸式聲學共振測試系統機理示意圖;（H-I）超長碳納米管的耐疲勞性能。圖片來自清華新聞網
然而，由於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域長期未能搞清楚的重大難題。由於疲勞可以在應力水平遠低於靜態斷裂強度的情況下發生，探究疲勞行為和潛在的破壞機制對於新材料的長期可靠性評估及應用具有極為重要的意義。
為開展單根釐米級長度碳納米管的疲勞力學行為測試，研究團隊設計搭建了一個非接觸式聲學共振測試系統。與基於電子顯微鏡的納米材料測試系統相比，該系統具有多方面優勢，不僅避免了電子束導致的樣品損傷，也使得釐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載荷的施加問題。
該研究發現，碳納米管展現出驚人的超耐疲勞特性。在大應變循環拉伸測試條件下，單根碳納米管可以被連續拉伸上億次而不發生斷裂，並且在去掉載荷後，其依然能保持初始的超高抗拉強度，耐疲勞性優於目前所有工程纖維材料。與一般傳統材料的疲勞損傷累積機制不同，其疲勞破壞呈現出整體破壞性，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作用。此外，其耐疲勞性受到溫度影響，表現出隨著溫度升高而下降的特點。
這項工作揭示了超長碳納米管用於製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域應用的壽命設計提供了重要的參考依據。
過去十年間，魏飛團隊在超長碳納米管生長機理、結構可控制備、性能表徵和應用探索方面開展了大量研究，並取得了一系列重要突破。團隊曾製備出單根長度達半米以上的碳納米管，並具有完美結構和優異性能，並可實現99.9999%半導體性高純度。此外，團隊首次發現了宏觀長度碳納米管管層間的超潤滑現象，並實現了單根碳納米管宏觀尺度下的光學可視化及可控操縱。相關成果發表在《自然·納米技術》《自然·通訊》《先進功能材料》《納米快報》等國際權威期刊。
來源 北京日報客戶端 | 記者 任敏
編輯：曾佳佳
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