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)量級以上。然而，由于其小尺寸特性以及難以被測試的特點(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)制對于新材料的應(yīng)用和長期可靠性評估具有重要意義。
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)形式測試了厘米級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)、王識君。
為開展單根厘米級長度碳納米管的疲勞力學(xué)行為測試，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)搭建了一個(gè)非接觸式聲學(xué)共振測試系統(tǒng)（non-contact acoustic-resonance-test，ART）。與基于電子顯微鏡的納米材料測試系統(tǒng)相比，ART系統(tǒng)具有多方面優(yōu)勢，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。
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。
同時(shí)，研究人員還對疲勞破壞的機(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，初始缺陷的生成對碳納米管的疲勞壽命起主導(dǎo)作用。
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)。
