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我国学者在超耐久性超长碳纳米管研究方面取得进展
2020年09月04日    作者: 杨晓伟 赵志坚 朱旺喜 陈拥军    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金重点项目(项目编号:21636005)资助下,清华大学化工系魏飞教授、张如范副教授团队在碳纳米管耐疲劳性能研究方面取得重要进展,首次以实验形式研究了厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。相关成果以“超耐久性的超长碳纳米管”(Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes)为题,于8月28日在线发表于《科学》(Science)上。论文链接:https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104

超强超韧和超耐疲劳性能的材料在航空航天、军事装备、防弹衣、大型桥梁、运动器材、人造肌肉等众多领域都面临巨大需求。碳纳米管是典型的一维纳米材料,也是目前已知的力学强度最高和韧性最好的材料,其宏观强度和韧性比广泛使用的碳纤维和芳纶等材料高出一个数量级以上。然而,由于其小尺寸特性难以被测试,单根碳纳米管的疲劳行为以及破坏机制是该领域长期的重大难题。由于疲劳可以在应力水平远低于静态断裂强度的情况下发生,探究疲劳行为和潜在的破坏机制对于新材料的应用和长期可靠性评估具有十分重要的意义。

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图1.超长碳纳米管的耐疲劳性能。厘米级超长碳纳米管样品(A-E);非接触式声学共振测试系统机理示意图(F-G);超长碳纳米管的耐疲劳性能(H-I)。

为开展单根厘米级长度碳纳米管的疲劳力学行为测试,该研究团队设计搭建了一个非接触式声共振测试系统(non-contact acoustic-resonance-test,ART)。与基于电子显微镜的纳米材料测试系统相比,ART系统具有多重优势,不仅避免了电子束导致的样品损伤,使得厘米长度的一维纳米材料的疲劳测试成为可能,同时解决了小尺寸样品在高周次循环载荷的施加问题。该研究发现,碳纳米管展现出十分优异的耐疲劳性,优于目前所有的工程材料。与一般传统材料的疲劳损伤累积机制不同,其疲劳破坏呈现出整体破坏性,不存在损伤累积过程,初始缺陷的生成对碳纳米管的疲劳寿命起主导作用。此外,其耐疲劳性可受到温度影响,表现出随着温度升高而下降的特点。

此外,在国家自然科学基金重点项目等资助下,该团队与清华大学李喜德教授团队合作,也曾在超强碳纳米管纤维领域取得了重要进展,于2018年在Nature Nnaotechnology(自然?纳米技术)发表论文,报道了一种接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-018-0141-z。

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