清華魏飛/張如範—超長碳納米管，具有超耐疲勞性能

2020-09-03 知社學術圈

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。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應用和長期可靠性評估具有重要意義。


清華大學化工系魏飛教授和張如範副教授團隊首次以實驗形式測試了釐米級長度單根超長碳納米管的耐疲勞性。相關成果以《超耐久性的超長碳納米管》Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes為題，於北京時間8月28日在線發表在Science上。論文通訊作者為清華大學化工系魏飛教授和張如範副教授，第一作者為清華大學化工系2016級博士生白雲祥，其他參與研究的作者包括清華大學化工系碩士生嶽鴻傑、博士生申博淵、孫斯磊，清華大學航天航空學院李喜德教授、徐志平教授、王海東副教授以及博士生王進、王識君。


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（non-contact acoustic-resonance-test，ART）。與基於電子顯微鏡的納米材料測試系統相比，ART系統具有多方面優勢，該系統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。

圖1. 超長碳納米管的結構和疲勞測試方案


研究人員發現，碳納米管具有十分優異的耐疲勞性。碳納米管的耐疲勞性受到溫度的影響，隨著溫度的升高而下降。

圖2. 室溫下的超長碳納米管的耐疲勞性


同時，研究人員還對疲勞破壞的機制進行了探究。結果發現，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，未發現損傷累積過程，初始缺陷的生成對碳納米管的疲勞壽命起主導作用。

圖 3. 不同溫度下的碳納米管耐疲勞性


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，同時為碳納米管各領域相關應用的壽命等設計提供了參考依據。


課題組成員簡介：

魏飛，清華大學化學工程系教授，教育部「長江學者」特聘教授，綠色反應工程與工藝北京市重點實驗室主任，中國顆粒學會能源顆粒材料專業委員會主任，發表論文600餘篇，SCI他引4萬餘次，是湯森路透近五年材料領域高被引科學家之一。開發了世界最大規模的碳納米管生產技術，在流態化、多相催化及碳納米管領域貢獻卓越。過去十幾年間，魏飛教授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。製備出了強度高達80 GPa的碳納米管管束。以上成果相繼發表在《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology)《自然·通訊》（Nature Communications）《化學會評論》（Chemical Society Reviews）《化學研究評述》（Accounts of Chemical Research）《先進功能材料》（Advanced Materials）《美國化學學會·納米》（ACS Nano）《納米快報》（Nano Letters）等國際期刊上，引起了學術界的廣泛關注，為開展超長碳納米管制備超強纖維打下了基礎。


張如範，清華大學化工系副教授、博士生導師、特別研究員。2005-2009年本科就讀於中國石油大學（北京）化工學院，2009-2014年博士就讀於清華大學化工系，2014-2017年在史丹福大學材料系從事博士後研究，2018年加入清華大學化工系並成立獨立研究團隊。主要從事納米碳材料與功能納米材料的可控制備與性能研究及應用方面的研究，在超長碳納米管的可控制備與性能表徵、納米纖維的製備與應用、金屬有機框架材料（MOF）的結構調控及其電催化應用等領域取得多項重要成果。自2018年研究團隊成立以來，張如範副教授以通訊作者身份在《科學》（Science）、《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）、《先進材料》（Advanced Materials）、《化學工程期刊》（Chemical Engineering Journal）、《微尺度-方法》（Small Methods）、《材料化學期刊A》（Journal of Materials Chemistry A）、《化學-可持續化學》（ChemSusChem）、《複合物科學與技術》（Composites Science and Technology）等期刊發表論文十餘篇，參與撰寫學術專著2部。獲2020年清華大學春季學期在線教學優秀教師獎、2020年《材料化學期刊A》新銳研究者獎（2020 Emerging Investigators of Journal Materials Chemistry A）、2019年國家海外高層次人才引進計劃、2019年侯德榜化工科學技術青年獎、2018年《麻省理工科技評論》中國區「35歲以下科技創新35人」、2018年中國化學會青年化學獎、2018中國新銳科技人物、2016年教育部自然科學一等獎、2015年瑞士喬諾法青年研究獎等榮譽和獎勵。


論文連結：

http://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104

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