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    我國學者在超耐久性超長碳納米管研究方面取得進展

    日期 2020-09-08   來源:化學科學部   作者:楊曉偉 趙志堅 朱旺喜 陳擁軍  【 】   【打印】   【關閉

      在國家自然科學基金項目(批準號:21636005)等資助下,清華大學化工系魏飛教授、張如范副教授團隊在碳納米管耐疲勞性能研究方面取得進展,首次以實驗形式研究了厘米級長度單根碳納米管的超耐疲勞性能。相關成果以“超耐久性的超長碳納米管(Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes)”為題,于8月28日在線發表于《科學》(Science)上。論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104。

      超強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、運動器材、人造肌肉等眾多領域都面臨巨大需求。碳納米管是典型的一維納米材料,也是目前已知的力學強度最高、韌性最好的材料,其宏觀強度和韌性比廣泛使用的碳纖維和芳綸等材料高出一個數量級以上。然而,由于其小尺寸特性難以被測試,單根碳納米管的疲勞行為以及破壞機制是該領域長期存在的重大難題。由于疲勞可以在應力水平遠低于靜態斷裂強度的情況下發生,因此探究疲勞行為和潛在的破壞機制對于新材料的應用和長期可靠性評估具有十分重要的意義。

      為開展單根厘米級長度碳納米管的疲勞力學行為測試,該研究團隊設計搭建了一個非接觸式聲共振測試系統(non-contact acoustic-resonance-test,ART)。與基于電子顯微鏡的納米材料測試系統相比,ART系統具有多重優勢,該系統不僅避免了電子束導致的樣品損傷,使得厘米長度的一維納米材料的疲勞測試成為可能,同時解決了小尺寸樣品在高周次循環載荷的施加問題。該研究發現,碳納米管展現出十分優異的耐疲勞性,優于目前已知的所有工程材料。與一般傳統材料的疲勞損傷累積機制不同,其疲勞破壞呈現出整體破壞性,不存在損傷累積過程,初始缺陷的生成對碳納米管的疲勞壽命起主導作用。此外,其耐疲勞性可受到溫度影響,表現出隨著溫度升高而下降的特點。

      這項工作展示了超長碳納米管用于制造超強超耐疲勞纖維的光明前景,同時為碳納米管在產品應用中服役壽命設計提供了重要的參考依據。

    A-E. 厘米級超長碳納米管樣品;F-G. 非接觸式聲學共振測試系統機理示意圖;

    H-I. 超長碳納米管的耐疲勞性能

    圖. 超長碳納米管及其耐疲勞性能




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