碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度。
抗疲劳性能是结构材料使用寿命的关键性能。众所周知，材料的失效主要是由疲劳引起的，而不是化学键的广泛断裂。目前用于理解疲劳过程的主流范式是基于循环加载过程中缺陷引起的应力集中，以及一旦临界长度裂纹形成后的破坏。碳纳米管(CNTs)是迄今为止发现的最坚固的材料之一，但由于其尺寸和对如此小的样品缺乏有效的测量方法，测量其抗疲劳性是一项挑战。
清华大学魏飞教授/张如范副教授在Science发表文章“Super-durable ultralong carbon nanotubes”，作者开发了一种非接触声共振测试系统来研究厘米级长的碳纳米管的疲劳行为。作者发现，CNTs具有优良的抗疲劳性能，与温度有依赖关系，此外，CNTs疲劳断裂的时间主要由第一个缺陷产生的时间决定。
作者用CVD法生长了CNTs。图1A, B和D显示了这些悬浮的碳纳米管排列在硅/二氧化硅衬底的沟槽中。透射电子显微镜(TEM)对CNTs进行了表征(图1C)。不同手性的CNTs在共振瑞利散射中呈现不同的颜色。所以一个碳纳米管如果它的结构发生变化或者沿着它的轴向手性发生变化，就会在这个方向上显示出颜色的变化。因此,共振碳纳米管的瑞利散射是鉴定其手性一致性的有效方法。如图1E所示，随着CNTs的生长，CNTs呈现出单色化特征，这表明它们的手性在轴向上保持一致。以此为原理，作者设计了一种配备纳米探针的非接触声共振测试(ART)系统来研究单个CNTs的机械行为。作者将TiO2纳米颗粒沉积在悬浮的CNTs上，使其具有光学可视化(图1B)，并且控制它们的共振频率，这是通过改变弦的线性密度来实现的。共振振动是由一个数字信号发生器控制的扬声器发射低频声波来激发的。利用悬臂梁试验测量了单个碳纳米管在环境温度(300K)下的拉伸应力-应变曲线，典型曲线如图2A所示。这表明了CNTs的非线性弹性行为，与广泛报道的CNTs弹性一致。拉伸强度为118.9±4.5 GPa，断裂应变为16.41±0.22%，计算的韧性为8.0±0.2 GJ/m3。图2B是室温下，CNTs的疲劳寿命和相应的应变在加载频率为500 Hz时的关系图。图2C表明，经过特定加载周期后CNTs的残余强度并没有明显的变化，在整个ART过程中没有可检测的缺陷产生。为了进一步证明这一点，作者用拉曼光谱来测试(图3A)。可以看到，直到测试结束，没有1350 cm-1处的D带产生。这表明，缺陷产生的时间往往占据了碳纳米管的整个寿命期，这强烈暗示了纯粹的脆性破坏。用TEM对CNTs在静态拉伸和循环加载下断裂后的碎片进行了表征。平整的断口面见图3B和C，这表明了CNTs是脆性断裂。疲劳行为对测试参数的依赖能进一步洞察潜在的机制。在不同加载频率和温度下进行的疲劳实验表明，CNTs的寿命几乎与加载频率无关，而是依赖于温度，温度越高，抗疲劳性能越低(图3D)。在200K的低温下，试样的抗疲劳性能比常温下高。CNTs的断裂应变也观察到同样的趋势，与之前的理论工作一致。这也意味着CNTs在低温下具有更高的韧性，因为模量在低温下几乎没有变化。观察到的CNTs的疲劳断裂取决于所施加的应变和温度，而不是先前预测的加载频率表明的热激活过程。CNTs上产生的缺陷/裂纹扩展是瞬时的，也就是说，它所需要的时间可以忽略不计，或者说CNTs的疲劳破坏是整体性的、灾难性的，没有进行性损伤。因此，CNT的生命周期实际上是由第一个缺陷产生的生命周期所控制的。Super-durable ultralong carbon nanotubes. Science 369 (6507), 1104-1106.http://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/lqfAN80PnkTkHC-zJAg66Q
