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近日，清華大學(xué)化工系魏飛教授和張如范副教授團(tuán)隊(duì)在碳納米管耐疲勞性能研究方面取得重大突破，首次以實(shí)驗(yàn)形式測(cè)試了厘米級(jí)長(zhǎng)度單根碳納米管的超耐疲勞性能。相關(guān)成果以“超耐久性的超長(zhǎng)碳納米管為題，于8月28日在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
超強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)度最高和韌性最好的材料，其宏觀強(qiáng)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(gè)數(shù)量級(jí)以上。然而，由于其小尺寸特性以及難以被測(cè)試的特點(diǎn)，單根碳納米管的疲勞行為以及疲勞破壞機(jī)制研究是該領(lǐng)域長(zhǎng)期未能搞清楚的重大難題。
為開展單根厘米級(jí)長(zhǎng)度碳納米管的疲勞力學(xué)行為測(cè)試，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)搭建了一個(gè)非接觸式聲學(xué)共振測(cè)試系統(tǒng)。與基于電子顯微鏡的納米材料測(cè)試系統(tǒng)相比，ART系統(tǒng)具有多方面優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)度的一維納米材料的疲勞測(cè)試成為可能，同時(shí)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(wèn)題。
該研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管展現(xiàn)出驚人的超耐疲勞特性。在大應(yīng)變循環(huán)拉伸測(cè)試條件下，單根碳納米管可以被連續(xù)拉伸上億次而不發(fā)生斷裂，并且在去掉載荷后，其依然能保持初始的超高抗拉強(qiáng)度，耐疲勞性優(yōu)于目前所有工程纖維材料。與一般傳統(tǒng)材料的疲勞損傷累積機(jī)制不同，其疲勞破壞呈現(xiàn)出整體破壞性，不存在損傷累積過(guò)程，初始缺陷的生成對(duì)碳納米管的疲勞壽命起主導(dǎo)作用。此外，其耐疲勞性受到溫度影響，表現(xiàn)出隨著溫度升高而下降的特點(diǎn)。
這項(xiàng)工作揭示了超長(zhǎng)碳納米管用于制造超強(qiáng)超耐疲勞纖維的光明前景，同時(shí)為碳納米管在許多領(lǐng)域應(yīng)用的壽命設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。
