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不知疲倦，成就一篇Science：清華大學魏飛/張如范等人在超長碳納米管產業化應用的卡脖子難題取得新進展！

Glenn 2020-08-28

第一作者：YunxiangBai

通訊作者：魏飛，張如范

通訊單位：清華大學

本文亮點：

1. 開發了一個非接觸式聲學共振測試系統，用于研究超長碳納米管的疲勞行為

2. 揭示了超長碳納米管長時間服役失效的微觀機制，發現其抗疲勞性取決于溫度，并且碳納米管的疲勞斷裂時間由第一個缺陷產生的時間決定。

1991年，高分辨電子顯微學的奠基人之一，日本Iijima教授首次宣布觀察到納米碳管。30年來，科學家從未停止過對碳納米管的探索。

碳納米管本征拉伸強度達到100 GPa，是迄今為止發現的強度最高的材料之一，在人造肌肉，飛機機身，懸索橋，防彈衣，電纜，運動器材，甚至是太空電梯等領域，都極具應用前景。

但是，產業化，尤其是在關鍵領域的產業化應用，始終存在一個卡脖子難題：常規碳納米管長度僅有微米級，一旦將短碳納米管組裝成纖維，就會因為相互堆疊和糾纏而產生缺陷、雜質、隨機取向以及不連續的長度等問題，導致其失去納米尺度時的超級強度，這也是碳納米管卻遲遲無法實現美國航天局設定的“7.5 GPa cm³g^–1”的夢之繩索的目標的關鍵原因。

要解決這個卡脖子問題，就必須從兩個方面著手：

1）從微觀組裝到宏觀尺度，仍然不失去其超級強度。

2）長期服役過程中，保持超級強度不失效。

清華大學魏飛教授長期從事碳納米管相關研究，在該領域取得了一系列重大突破。早在2018年，魏飛教授及其合作者就在Nature Nnaotechnology發表論文，報道了一種超長、無缺陷、拉伸強度高達80 GPa以上的超級碳納米管纖維，這種超長碳納米管束拉伸強度秒殺所有纖維，基本解決了從微觀組裝到宏觀尺度，碳納米管仍然不失去其超級強度的問題。

那么，還有一個抗疲勞的問題懸而未決，這也是大部分高性能材料領域的共性關鍵問題之一。

大量研究表明，材料的失效主要是由疲勞引起的，而不是由化學鍵的大量斷裂引起的。在循環應力作用下，失效主要發生在應力值低于靜態載荷下的固有強度的情況下。當前對于疲勞過程的理解主要基于缺陷，因為缺陷會導致在循環載荷過程中引起應力集中，一旦形成臨界長度裂紋，就會導致隨后的失效。

抗疲勞性是結構材料使用壽命的一個關鍵特性，對抗疲勞性的有效測量決定了能否為抗疲勞提供解決方案。但是，測量材料的抗疲勞性頗具挑戰，因為它們的特征尺寸實在太小，并且缺乏針對這種小樣品的有效測量方法。

針對這一挑戰，清華大學魏飛教授和張如范副教授團隊以“Super-durableUltralong Carbon Nanotubes”為題，在最新一期的Science上發表研究成果，開發了一個非接觸式聲學共振測試系統，用于研究厘米長的單個碳納米管的疲勞行為。實驗結果發現，碳納米管具有優異的抗疲勞性，其抗疲勞性取決于溫度，并且碳納米管的疲勞斷裂時間由第一個缺陷產生的時間決定。

疲勞實驗在不同的加載頻率和溫度下進行，結果表明碳納米管的壽命幾乎與加載頻率無關，而是取決于溫度。較高的溫度導致較低的抗疲勞性。實驗還觀察到，在200 K的低溫下，樣品顯示出比環境溫度下更高的抗疲勞性。對于碳納米管的斷裂應變也觀察到相同的趨勢，這與先前的理論工作一致。這也意味著碳納米管在低溫下具有更高的韌性，因為模量在低溫下幾乎沒有變化。

圖1碳納米管的結構及抗疲勞性能表征。

圖2碳納米管在室溫下的力學行為。

碳納米管的疲勞斷裂取決于所施加的應變和溫度，而不是加載頻率，這一觀察結果暗示存在一個熱激活過程。作者的研究數據和提出的模型十分吻合，即碳納米管發生第一次鍵旋轉所需的時間，這說明隨后的缺陷/裂紋擴展是瞬時的，也就是說，所需的時間可以忽略不計。或者說，碳納米管的疲勞破壞是整體性的，沒有漸進的損傷過程。因此，在第一次缺陷產生的時間決定了碳納米管的壽命。