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(yuǎn)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。
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。
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。
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)。
