《Science》清华魏飞、张如范团队碳纳米管耐疲劳性能研究获重大突破

本文摘要：克日 清华大学化工系魏飞教授和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大突破首次以实验形式测试了厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。 相关结果以“超耐久性的超长碳纳米管”( Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes )为题于8月28日在线揭晓于国际顶级学术期刊《科学》（ Science ）上。

克日清华大学化工系魏飞教授和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大突破首次以实验形式测试了厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。相关结果以“超耐久性的超长碳纳米管”(Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes)为题于8月28日在线揭晓于国际顶级学术期刊《科学》（Science）上。

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

为开展单根厘米级长度碳纳米管的疲劳力学行为测试研究团队设计搭建了一个非接触式声学共振测试系统（non-contact acoustic-resonance-testART）。与基于电子显微镜的纳米质料测试系统相比ART系统具有多方面优势该系统不仅制止了电子束导致的样品损伤也使得厘米长度的一维纳米质料的疲劳测试成为可能同时还解决了小尺寸样品夹持以及高周次循环载荷的施加问题。

超强超韧和超耐疲劳性能的质料在航空航天、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庞大的需求。

碳纳米管是典型的一维纳米质料也是现在已知的力学强度最高和韧性最好的质料其宏观强度和韧性均比现在广泛使用的碳纤维和芳纶等质料横跨一个数量级以上。然而由于其小尺寸特性以及难以被测试的特点单根碳纳米管的疲劳行为以及疲劳破坏机制研究是该领域恒久未能搞清楚的重浩劫题。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质料的恒久可靠性评估及应用具有极为重要的意义。

该研究发现碳纳米管展现出惊人的超耐疲劳特性。在大应变循环拉伸测试条件下单根碳纳米管可以被一连拉伸上亿次而不发生断裂而且在去掉载荷后其依然能保持初始的超高抗拉强度耐疲劳性优于现在所有工程纤维质料。

与一般传统质料的疲劳损伤累积机制差别其疲劳破坏出现出整体破坏性不存在损伤累积历程初始缺陷的生成对碳纳米管的疲劳寿命起主导作用。此外其耐疲劳性受到温度影响体现出随着温度升高而下降的特点。

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

泉源：清华大学

论文链接：

这项事情展现了超长碳纳米管用于制造超强超耐疲劳纤维的灼烁前景同时为碳纳米管在许多领域应用的寿命设计提供了重要的参考依据。论文通讯作者为清华大学化工系教授魏飞和副教授张如范第一作者为清华大学化工系2016级博士生白云祥其他到场研究的作者包罗清华大学化工系硕士生岳鸿杰、博士生申博渊、孙斯磊清华大学航天航空学院李喜德教授、徐志平教授、王海东副教授以及博士生王进、王识君。

该研究事情获得国家自然科学基金委员会和科技部国家重点研究生长计划资助。

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