碳納米管是人類發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度和韌性最好的材料之一，單位質(zhì)量上的拉伸強(qiáng)度是鋼鐵的276倍。

然而，如何測量這種小尺寸材料的耐久性，長期以來是個難題。

8月28日，根據(jù)世界頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表的一篇論文，清華大學(xué)化工系教授魏飛團(tuán)隊成功用一種新型的聲學(xué)共振方法對厘米級碳納米管的耐久程度進(jìn)行了測量，結(jié)果顯示，單根碳納米管可以被連續(xù)拉伸上億次而不發(fā)生斷裂，并在去掉載荷后依然保持初始的超高抗拉強(qiáng)度，

論文題為《超耐久性的超長碳納米管》（Super-durable ultralong carbon nanotubes），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。

“目前我們測量到的碳納米管的耐疲勞性，從兩個方面看都是所有材料中最好的。”魏飛對澎湃新聞記者表示，“一是從純的力學(xué)拉伸耐疲勞性上看，可以承受的耐疲勞強(qiáng)度是最高的；同時耐疲勞性中有個最大強(qiáng)度與耐疲勞強(qiáng)度之比，我們測量到的也是所有材料中最高的，達(dá)到95%，再往上測量是由于這類測量方法的誤差，測量不出來了。”

超長碳納米管

所謂碳納米管，是一種1991年被發(fā)現(xiàn)的新型低維維材料，由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成的單層或者多層圓管。

其優(yōu)異的力學(xué)性能在人造肌肉、飛機(jī)機(jī)身、懸索橋、體育用具、電纜等領(lǐng)域有大量需求。一些觀點(diǎn)認(rèn)為，如果要實現(xiàn)著名的“太空電梯”構(gòu)想，即建立從地球到空間的升降艙，那繩纜所用材料只能是碳納米管。

然而，當(dāng)單根力學(xué)性能優(yōu)異的碳納米管制備成宏觀材料時，其理論值往往無法兌現(xiàn)。這是因為，形成纖維的碳納米管單元體之間在拉力作用下極易發(fā)生相互滑移，管內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷和雜亂取向等也都會導(dǎo)致纖維強(qiáng)度下降。

相比之下，厘米甚至分米長度的超長碳納米管具有完美結(jié)構(gòu)、一致取向和接近理論極限的力學(xué)性能，在制備超強(qiáng)纖維方面具有巨大的優(yōu)勢。

2013年，魏飛團(tuán)隊曾制備出半米長的碳納米管，并實現(xiàn)99.9999%半導(dǎo)體性高純度。

2018年，魏飛團(tuán)隊在世界上首次報道了強(qiáng)度高達(dá)80 GPa、接近單根碳納米管理論強(qiáng)度的超長碳納米管管束，其拉伸強(qiáng)度超越了所有其它纖維材料。

聲學(xué)共振測試系統(tǒng)

不過，強(qiáng)度再高的材料也會疲勞。在交變應(yīng)力下，當(dāng)材料缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中，即使壓力值低于靜態(tài)壓力下的斷裂強(qiáng)度，臨界長度裂紋也會形成。

為此，魏飛團(tuán)隊開發(fā)了一種非接觸式聲學(xué)共振測試系統(tǒng)，設(shè)計納米探針系統(tǒng)來分析單個厘米級碳納米管的力學(xué)行為。具體來說，他們在碳納米管上放置TiO2（二氧化鈦）納米顆粒，再通過數(shù)字信號控制的揚(yáng)聲器來發(fā)射低頻聲波，激發(fā)共振。改變這些顆粒的線性密度，就可以控制共振頻率。

相比于納米材料測試系統(tǒng)通常使用的電子顯微鏡，研究團(tuán)隊認(rèn)為，這種新方法可以避免電子束破壞材料，且克服了對納米材料進(jìn)行樣本夾持、高周次循環(huán)載荷施加的困難。

結(jié)果顯示，碳納米管展現(xiàn)出驚人的超耐疲勞特性。在大應(yīng)變循環(huán)拉伸測試條件下，單根碳納米管可以被連續(xù)拉伸上億次而不發(fā)生斷裂，并在去掉載荷后依然保持初始的超高抗拉強(qiáng)度，耐疲勞性優(yōu)于目前所有工程纖維材料。

研究團(tuán)隊同時對其進(jìn)行了理論分析，得出超長碳納米管與一般傳統(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，不存在損傷累積過程，一旦缺陷出現(xiàn)，隨后的裂紋擴(kuò)展是瞬時發(fā)生的。可以說，碳納米管的壽命幾乎完全由首個化學(xué)鍵斷裂產(chǎn)生所需的時間決定。

此外，碳納米管耐疲勞性受到溫度影響，隨著溫度升高而下降，這與此前的理論預(yù)期一致。