研究背景

自1991年首次觀察到碳納米管以來，研究者們從未停止對這種特殊材料的探索，碳納米管（CNT），是一種管狀的納米級石墨晶體，是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管，每層的C是SP2雜化，形成六邊形平面的圓柱面。碳納米管同樣也有天然產(chǎn)出的碳晶特性，使納米碳管成為人們認知的碳原子材料，由于碳納米管中碳原子采取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量和高強度。

碳納米管具有良好的力學性能，CNTs抗拉強度達到50～200 GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個數(shù)量級；它的彈性模量可達1 TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。對于具有理想結構的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約800 GPa。碳納米管的結構雖然與高分子材料的結構相似，但其結構卻比高分子材料穩(wěn)定得多。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復合材料， 可使復合材料表現(xiàn)出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復合材料的性能帶來極大的改善。

人造肌肉、飛機、懸索橋、防彈衣、電纜、運動器材，甚至空間電梯等領域都需要抗疲勞性能優(yōu)異的材料。碳納米管、石墨烯等低維材料普遍具有優(yōu)異的強度。人們對這些納米級材料的內(nèi)在強度進行了廣泛的研究。我們知道，材料的失效主要是由疲勞引起的，而不是化學鍵的廣泛斷裂。在循環(huán)應力下，破壞發(fā)生在應力值低于靜態(tài)加載下的固有強度。目前用于理解疲勞過程的主流范式是基于循環(huán)加載過程中導致應力集中的缺陷，以及一旦形成臨界長度裂紋后的破壞。

碳納米管研究了這么多年，但由于其尺寸太小，對其缺乏行之有效的測量方法，因此其抗疲勞性測試一直困擾著科學家們！

研究成果

抗疲勞性能是結構材料使用壽命的關鍵性能。碳納米管（CNTs）是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最堅固的材料之一，但由于對如此小尺寸的樣品缺乏有效的測量方法，測量其抗疲勞性一直是一項挑戰(zhàn)。為了解決這個世界難題，清華大學魏飛教授課題組經(jīng)多年潛心鉆研，開發(fā)了一種非接觸式聲學共振測試系統(tǒng)來研究厘米長的碳納米管的疲勞行為。研究發(fā)現(xiàn)，CNTs具有優(yōu)異的抗疲勞性能，這取決于溫度，CNTs疲勞斷裂的時間主要由第一個缺陷產(chǎn)生的時間決定，這項工作為碳納米管在超強抗疲勞應用方面打下堅實基礎！相關研究工作以“Super-durableultralong carbon nanotubes”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Science》上。

圖文速遞

圖1. 碳納米管的結構和抗疲勞性能表征

作者制備了厘米長的CNT陣列。圖1，A，B和D展示了這些懸浮的CNT在Si/SiO2襯底上橫穿溝槽排列的情況。CNT的結構通過透射電子顯微鏡（TEM）（圖1C）、共振瑞利散射（圖1E）和拉曼光譜表征。具有不同手性的CNT在共振瑞利散射中顯示出不同的顏色，因此，具有沿其軸向方向發(fā)生結構或手性變化的單個CNT將在該方向上顯示顏色變化。因此，CNT的共振瑞利散射提供了一種鑒定其手性一致性的有效方法。如圖1E所示，在生長態(tài)的CNT呈現(xiàn)單色特性，這表明它們的手性仍然沿軸向方向。設計了配備納米探針系統(tǒng)的非接觸式聲學共振測試（ART）系統(tǒng)，以研究各個CNT的機械性能。將TiO2納米顆粒沉積到懸浮的CNT上，以使其可視化，并控制其共振頻率，這是通過改變弦線密度來實現(xiàn)的。

圖2. CNTs在環(huán)境溫度下的力學行為

作者利用懸臂梁試驗方法測試了單根碳納米管在環(huán)境溫度（300K）下的拉伸應力-應變曲線，如圖2A所示。研究結果表明CNTs的非線性彈性行為與廣泛報道的CNTs彈性相一致。拉伸強度為118.9±4.5 GPa，斷裂應變?yōu)?6.41±0.22%，韌性計算為8.0±0.2 GJ/m3。圖2B是室溫下，CNTs的疲勞壽命和相應的應變在加載頻率為500 Hz時的測試圖。圖2C表明，經(jīng)過特定加載周期后CNTs的殘余強度沒有發(fā)生明顯的變化，在整個ART過程中沒有產(chǎn)生可檢測到的缺陷，碳納米管的歸一化應變和疲勞壽命在半對數(shù)圖上顯示出幾乎線性的關系。碳納米管疲勞破壞呈現(xiàn)出整體破壞性，這與一般傳統(tǒng)材料的疲勞損傷累積機制有所不同，初始缺陷的生成對碳納米管的疲勞壽命起主導作用。

圖3 CNTs在不同溫度下的疲勞行為

疲勞行為對測試參數(shù)的依賴性為潛在的機理提供了進一步的見解。在不同的加載頻率和溫度下進行了疲勞實驗，這表明CNT的壽命幾乎與加載頻率無關，但取決于溫度。較高的溫度導致較低的抗疲勞性（圖3D）。作者還觀察到在200 K的低溫下，樣品表現(xiàn)出比在環(huán)境溫度下更強的抗疲勞性。

結論與展望

綜上所述，清華大學研發(fā)出非接觸式聲學共振測試系統(tǒng)來研究厘米長的碳納米管的疲勞行為，這項工作解決了碳納米管抗疲勞性能長期以來無法有效測試的問題，研究結果表明，CNTs的疲勞斷裂取決于所施加的應變和溫度，隨后的缺陷/裂紋傳播是瞬時的，也就是說，所需的時間可以忽略不計，或者CNT的疲勞失效是整體性的，并且是災難性的，沒有進行性破壞。因此，CNT的壽命實際上由第一缺陷產(chǎn)生的壽命支配。這項工作為碳納米管進一步應用打下堅實基礎，未來將發(fā)揮重要作用！

原文鏈接 https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104