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(qiáng)度的情況下發(fā)生，探究疲勞行為和潛在的破壞機(jī)制對(duì)于新材料的應(yīng)用和長期可靠性評(píng)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(tuán)隊(duì)首次以實(shí)驗(yàn)形式測(cè)試了厘米級(jí)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(shí)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(jí)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(jìn)、王識(shí)君。

為開展單根厘米級(jí)長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)（non-contact acoustic-resonance-test，ART）。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)載荷的施加問題。

圖1. 超長碳納米管的結(jié)構(gòu)和疲勞測(cè)試方案

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。

圖2. 室溫下的超長碳納米管的耐疲勞性

同時(shí)，研究人員還對(duì)疲勞破壞的機(jī)制進(jìn)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(jī)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(duì)碳納米管的疲勞壽命起主導(dǎo)作用。

圖 3. 不同溫度下的碳納米管耐疲勞性

這項(xiàng)工作揭示了超長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)為碳納米管各領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用的壽命等設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

課題組成員簡(jiǎn)介：

魏飛，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授，教育部“長江學(xué)者”特聘教授，綠色反應(yīng)工程與工藝北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國顆粒學(xué)會(huì)能源顆粒材料專業(yè)委員會(huì)主任，發(fā)表論文600余篇，SCI他引4萬余次，是湯森路透近五年材料領(lǐng)域高被引科學(xué)家之一。開發(fā)了世界最大規(guī)模的碳納米管生產(chǎn)技術(shù)，在流態(tài)化、多相催化及碳納米管領(lǐng)域貢獻(xiàn)卓越。過去十幾年間，魏飛教授團(tuán)隊(duì)在超長碳納米管生長機(jī)理、結(jié)構(gòu)可控制備、性能表征和應(yīng)用探索方面開展了大量研究，并取得了一系列重要突破。團(tuán)隊(duì)曾制備出單根長度達(dá)半米以上的碳納米管，并具有完美結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，并可實(shí)現(xiàn)99.9999%半導(dǎo)體性高純度。此外，團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了宏觀長度碳納米管管層間的超潤滑現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)了單根碳納米管宏觀尺度下的光學(xué)可視化及可控操縱。制備出了強(qiáng)度高達(dá)80 GPa的碳納米管管束。以上成果相繼發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)《自然·通訊》（Nature Communications）《化學(xué)會(huì)評(píng)論》（Chemical Society Reviews）《化學(xué)研究評(píng)述》（Accounts of Chemical Research）《先進(jìn)功能材料》（Advanced Materials）《美國化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》（ACS Nano）《納米快報(bào)》（Nano Letters）等國際期刊上，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，為開展超長碳納米管制備超強(qiáng)纖維打下了基礎(chǔ)。

張如范，清華大學(xué)化工系副教授、博士生導(dǎo)師、特別研究員。2005-2009年本科就讀于中國石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院，2009-2014年博士就讀于清華大學(xué)化工系，2014-2017年在斯坦福大學(xué)材料系從事博士后研究，2018年加入清華大學(xué)化工系并成立獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)。主要從事納米碳材料與功能納米材料的可控制備與性能研究及應(yīng)用方面的研究，在超長碳納米管的可控制備與性能表征、納米纖維的制備與應(yīng)用、金屬有機(jī)框架材料（MOF）的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其電催化應(yīng)用等領(lǐng)域取得多項(xiàng)重要成果。自2018年研究團(tuán)隊(duì)成立以來，張如范副教授以通訊作者身份在《科學(xué)》（Science）、《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）、《化學(xué)工程期刊》（Chemical Engineering Journal）、《微尺度-方法》（Small Methods）、《材料化學(xué)期刊A》（Journal of Materials Chemistry A）、《化學(xué)-可持續(xù)化學(xué)》（ChemSusChem）、《復(fù)合物科學(xué)與技術(shù)》（Composites Science and Technology）等期刊發(fā)表論文十余篇，參與撰寫學(xué)術(shù)專著2部。獲2020年清華大學(xué)春季學(xué)期在線教學(xué)優(yōu)秀教師獎(jiǎng)、2020年《材料化學(xué)期刊A》新銳研究者獎(jiǎng)（2020 Emerging Investigators of Journal Materials Chemistry A）、2019年國家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃、2019年侯德榜化工科學(xué)技術(shù)青年獎(jiǎng)、2018年《麻省理工科技評(píng)論》中國區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”、2018年中國化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)、2018中國新銳科技人物、2016年教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、2015年瑞士喬諾法青年研究獎(jiǎng)等榮譽(yù)和獎(jiǎng)勵(lì)。

論文鏈接：

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