研究背景

自1991年首次观察到碳纳米管以来，研究者们从未停止对这种特殊材料的探索，碳纳米管（CNT），是一种管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，每层的C是SP2杂化，形成六边形平面的圆柱面。碳纳米管同样也有天然产出的碳晶特性，使纳米碳管成为人们认知的碳原子材料，由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度。

碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200 GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1 TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800 GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料， 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。

人造肌肉、飞机、悬索桥、防弹衣、电缆、运动器材，甚至空间电梯等领域都需要抗疲劳性能优异的材料。碳纳米管、石墨烯等低维材料普遍具有优异的强度。人们对这些纳米级材料的内在强度进行了广泛的研究。我们知道，材料的失效主要是由疲劳引起的，而不是化学键的广泛断裂。在循环应力下，破坏发生在应力值低于静态加载下的固有强度。目前用于理解疲劳过程的主流范式是基于循环加载过程中导致应力集中的缺陷，以及一旦形成临界长度裂纹后的破坏。

碳纳米管研究了这么多年，但由于其尺寸太小，对其缺乏行之有效的测量方法，因此其抗疲劳性测试一直困扰着科学家们！

研究成果

抗疲劳性能是结构材料使用寿命的关键性能。碳纳米管（CNTs）是迄今为止发现的最坚固的材料之一，但由于对如此小尺寸的样品缺乏有效的测量方法，测量其抗疲劳性一直是一项挑战。为了解决这个世界难题，清华大学魏飞教授课题组经多年潜心钻研，开发了一种非接触式声学共振测试系统来研究厘米长的碳纳米管的疲劳行为。研究发现，CNTs具有优异的抗疲劳性能，这取决于温度，CNTs疲劳断裂的时间主要由第一个缺陷产生的时间决定，这项工作为碳纳米管在超强抗疲劳应用方面打下坚实基础！相关研究工作以“Super-durableultralong carbon nanotubes”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

图文速递

图1. 碳纳米管的结构和抗疲劳性能表征

作者制备了厘米长的CNT阵列。图1，A，B和D展示了这些悬浮的CNT在Si/SiO2衬底上横穿沟槽排列的情况。CNT的结构通过透射电子显微镜（TEM）（图1C）、共振瑞利散射（图1E）和拉曼光谱表征。具有不同手性的CNT在共振瑞利散射中显示出不同的颜色，因此，具有沿其轴向方向发生结构或手性变化的单个CNT将在该方向上显示颜色变化。因此，CNT的共振瑞利散射提供了一种鉴定其手性一致性的有效方法。如图1E所示，在生长态的CNT呈现单色特性，这表明它们的手性仍然沿轴向方向。设计了配备纳米探针系统的非接触式声学共振测试（ART）系统，以研究各个CNT的机械性能。将TiO2纳米颗粒沉积到悬浮的CNT上，以使其可视化，并控制其共振频率，这是通过改变弦线密度来实现的。

图2. CNTs在环境温度下的力学行为

作者利用悬臂梁试验方法测试了单根碳纳米管在环境温度（300K）下的拉伸应力-应变曲线，如图2A所示。研究结果表明CNTs的非线性弹性行为与广泛报道的CNTs弹性相一致。拉伸强度为118.9±4.5 GPa，断裂应变为16.41±0.22%，韧性计算为8.0±0.2 GJ/m3。图2B是室温下，CNTs的疲劳寿命和相应的应变在加载频率为500 Hz时的测试图。图2C表明，经过特定加载周期后CNTs的残余强度没有发生明显的变化，在整个ART过程中没有产生可检测到的缺陷，碳纳米管的归一化应变和疲劳寿命在半对数图上显示出几乎线性的关系。碳纳米管疲劳破坏呈现出整体破坏性，这与一般传统材料的疲劳损伤累积机制有所不同，初始缺陷的生成对碳纳米管的疲劳寿命起主导作用。

图3 CNTs在不同温度下的疲劳行为

疲劳行为对测试参数的依赖性为潜在的机理提供了进一步的见解。在不同的加载频率和温度下进行了疲劳实验，这表明CNT的寿命几乎与加载频率无关，但取决于温度。较高的温度导致较低的抗疲劳性（图3D）。作者还观察到在200 K的低温下，样品表现出比在环境温度下更强的抗疲劳性。

结论与展望

综上所述，清华大学研发出非接触式声学共振测试系统来研究厘米长的碳纳米管的疲劳行为，这项工作解决了碳纳米管抗疲劳性能长期以来无法有效测试的问题，研究结果表明，CNTs的疲劳断裂取决于所施加的应变和温度，随后的缺陷/裂纹传播是瞬时的，也就是说，所需的时间可以忽略不计，或者CNT的疲劳失效是整体性的，并且是灾难性的，没有进行性破坏。因此，CNT的寿命实际上由第一缺陷产生的寿命支配。这项工作为碳纳米管进一步应用打下坚实基础，未来将发挥重要作用！

原文链接 https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104