（来源：清华大学新闻网）近日，清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授团队在碳纳米管耐疲劳性能研究方面取得重大突破，首次以实验形式测试了厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。相关成果以“超耐久性的超长碳纳米管”(Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes)为题，于8月28日在线发表于国际顶级学术期刊《科学》（Science）上。论文通讯作者为清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授，第一作者为清华大学化工系2016级博士生白云祥。

超强超韧和超耐疲劳性能的材料在航空航天、军事装备、防弹衣、大型桥梁、运动器材、人造肌肉等众多领域都面临巨大的需求。碳纳米管是典型的一维纳米材料，也是目前已知的力学强度最高和韧性最好的材料，其宏观强度和韧性均比目前广泛使用的碳纤维和芳纶等材料高出一个数量级以上。然而，由于其小尺寸特性以及难以被测试的特点，单根碳纳米管的疲劳行为以及疲劳破坏机制研究是该领域长期未能搞清楚的重大难题。由于疲劳可以在应力水平远低于静态断裂强度的情况下发生，探究疲劳行为和潜在的破坏机制对于新材料的长期可靠性评估及应用具有极为重要的意义。

研究团队通过化学气相沉积法在硅/二氧化硅衬底的沟槽上生长了结构完美的悬空碳纳米管。通过将TiO2纳米颗粒沉积在悬空碳纳米管上，可以实现其光学可视化（图1B），此举为后续的疲劳性能测试提供了高效的观测手段。共振碳纳米管的瑞利散射实验则表明，所制备的超长碳纳米管在生长过程中保持了一致的手性结构（图1E）。在结构完美的碳纳米管样品以及高效的观测手段的基础上，研究团队设计搭建了一个非接触式声学共振测试系统（non-contactacoustic-resonance-test，ART）。与基于电子显微镜的纳米材料测试系统相比，ART系统具有多方面优势，该系统不仅避免了电子束导致的样品损伤，也使得厘米长度的一维纳米材料的疲劳测试成为可能，同时还解决了小尺寸样品夹持以及高周次循环载荷的施加问题。研究团队通过扬声器发射的低频声波激发碳纳米管的共振振动，并由此测定碳纳米管的力学性质和疲劳行为。

作者利用悬臂梁实验测量了单根超长碳纳米管在环境温度(300K)下的应力-应变曲线，测得其拉伸强度为118.9±4.5 GPa，断裂应变为16.41±0.22%，韧性为8.0±0.2 GJ/m3。超长碳纳米管的疲劳寿命和应变关系以及长循环周期后的残余强度均显示出碳纳米管惊人的超耐疲劳特性。在大应变循环拉伸测试条件下，单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂，并且在去掉载荷后，其依然能保持初始的超高抗拉强度，耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。

图1. 超长碳纳米管的耐疲劳性能.（A-E）厘米级超长碳纳米管样品；（F-G）非接触式声学共振测试系统机理示意图;（H-I）超长碳纳米管的耐疲劳性能。

研究团队发现超长碳纳米管的拉曼光谱在循环测试过程中始终没有出现象征缺陷的D带(图2A)，因而在整个ART过程中没有可检测的缺陷产生。此外，通过透射电镜表征可知，超长碳纳米管在静态拉伸和循环加载后产生的断口都十分平整（图2C），表明碳纳米管发生了脆性断裂。这些表征结果都说明碳纳米管具有与一般传统材料不同的疲劳损伤累积机制，碳纳米管的疲劳破坏呈现出整体破坏性，不存在损伤累积过程，初始缺陷的生成对碳纳米管的疲劳寿命起主导作用。不同加载频率和温度下进行的疲劳实验表明，超长碳纳米管的疲劳寿命几乎与加载频率无关，但会受到温度的影响，表现出随着温度升高而下降的特点（图2D）。

图2. 超长碳纳米管在不同温度下的疲劳行为.

这项工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强超耐疲劳纤维的光明前景，同时为碳纳米管在许多领域应用的寿命设计提供了重要的参考依据。该研究工作得到国家自然科学基金委员会和科技部国家重点研究发展计划资助。

原文链接: http://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104

文章分类：新闻动态研究进展

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