首次以實驗形式測試了厘米級長度單根超長碳納米管的耐疲勞性

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(lǐng)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(xué)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(shù)量級以上。然而，由于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(lǐng)域長期未能搞清楚的難題。由于疲勞可以在應(yīng)力水平遠低于靜態(tài)斷裂強度的情況下發(fā)生，探究疲勞行為和潛在的破壞機制對于新材料的應(yīng)用和長期可靠性評估具有重要意義。

清華大學(xué)化工系魏飛教授和張如范副教授團隊首次以實驗形式測試了厘米級長度單根超長碳納米管的耐疲勞性。相關(guān)成果以《超耐久性的超長碳納米管》Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes為題，于北京時間8月28日在線發(fā)表在Science上。論文通訊作者為清華大學(xué)化工系魏飛教授和張如范副教授，第一作者為清華大學(xué)化工系2016級博士生白云祥，其他參與研究的作者包括清華大學(xué)化工系碩士生岳鴻杰、博士生申博淵、孫斯磊，清華大學(xué)航天航空學(xué)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。

為開展單根厘米級長度碳納米管的疲勞力學(xué)行為測試，研究團隊設(shè)計搭建了一個非接觸式聲學(xué)共振測試系統(tǒng)（non-contact acoustic-resonance-test，ART）。與基于電子顯微鏡的納米材料測試系統(tǒng)相比，ART系統(tǒng)具有多方面優(yōu)勢，該系統(tǒng)不僅避免了電子束導(dǎo)致的樣品損傷，也使得厘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(huán)載荷的施加問題。

圖1. 超長碳納米管的結(jié)構(gòu)和疲勞測試方案

研究人員發(fā)現(xiàn)，碳納米管具有十分優(yōu)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，與一般傳統(tǒng)材料的疲勞損傷累積機制不同，其疲勞破壞呈現(xiàn)出整體破壞性，未發(fā)現(xiàn)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(dǎo)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于制造超強超耐疲勞纖維的光明前景，同時為碳納米管各領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用的壽命等設(shè)計提供了參考依據(jù)。

課題組成員簡介：

魏飛，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授，教育部“長江學(xué)者”特聘教授，綠色反應(yīng)工程與工藝北京市重點實驗室主任，中國顆粒學(xué)會能源顆粒材料專業(yè)委員會主任，發(fā)表論文600余篇，SCI他引4萬余次，是湯森路透近五年材料領(lǐng)域高被引科學(xué)家之一。開發(fā)了世界最大規(guī)模的碳納米管生產(chǎn)技術(shù)，在流態(tài)化、多相催化及碳納米管領(lǐng)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(jié)構(gòu)可控制備、性能表征和應(yīng)用探索方面開展了大量研究，并取得了一系列重要突破。團隊曾制備出單根長度達半米以上的碳納米管，并具有完美結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，并可實現(xiàn)99.9999%半導(dǎo)體性高純度。此外，團隊首次發(fā)現(xiàn)了宏觀長度碳納米管管層間的超潤滑現(xiàn)象，并實現(xiàn)了單根碳納米管宏觀尺度下的光學(xué)可視化及可控操縱。制備出了強度高達80 GPa的碳納米管管束。以上成果相繼發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)《自然·通訊》（Nature Communications）《化學(xué)會評論》（Chemical Society Reviews）《化學(xué)研究評述》（Accounts of Chemical Research）《先進功能材料》（Advanced Materials）《美國化學(xué)學(xué)會·納米》（ACS Nano）《納米快報》（Nano Letters）等國際期刊上，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，為開展超長碳納米管制備超強纖維打下了基礎(chǔ)。

張如范，清華大學(xué)化工系副教授、博士生導(dǎo)師、特別研究員。2005-2009年本科就讀于中國石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院，2009-2014年博士就讀于清華大學(xué)化工系，2014-2017年在斯坦福大學(xué)材料系從事博士后研究，2018年加入清華大學(xué)化工系并成立獨立研究團隊。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(yīng)用方面的研究，在超長碳納米管的可控制備與性能表征、納米纖維的制備與應(yīng)用、金屬有機框架材料（MOF）的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其電催化應(yīng)用等領(lǐng)域取得多項重要成果。自2018年研究團隊成立以來，張如范副教授以通訊作者身份在《科學(xué)》（Science）、《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）、《先進材料》（Advanced Materials）、《化學(xué)工程期刊》（Chemical Engineering Journal）、《微尺度-方法》（Small Methods）、《材料化學(xué)期刊A》（Journal of Materials Chemistry A）、《化學(xué)-可持續(xù)化學(xué)》（ChemSusChem）、《復(fù)合物科學(xué)與技術(shù)》（Composites Science and Technology）等期刊發(fā)表論文十余篇，參與撰寫學(xué)術(shù)專著2部。獲2020年清華大學(xué)春季學(xué)期在線教學(xué)優(yōu)秀教師獎、2020年《材料化學(xué)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(xué)技術(shù)青年獎、2018年《麻省理工科技評論》中國區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”、2018年中國化學(xué)會青年化學(xué)獎、2018中國新銳科技人物、2016年教育部自然科學(xué)一等獎、2015年瑞士喬諾法青年研究獎等榮譽和獎勵。

論文鏈接：

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