清华成果登《科学》：超长碳纳米管耐疲劳性超所有已知材料

碳纳米管是人类发现的强度和韧性最好的材料之一，单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍。

然而，如何测量这种小尺寸材料的耐久性，长期以来是个难题。

8月28日，根据世界顶尖学术期刊《科学》上发表的一篇论文，清华大学化工系教授魏飞团队成功用一种新型的声学共振方法对厘米级碳纳米管的耐久程度进行了测量，结果显示，单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂，并在去掉载荷后依然保持初始的超高抗拉强度，

论文题为《超耐久性的超长碳纳米管》（Super-durable ultralong carbon nanotubes），揭示了超长碳纳米管用于制造超强超耐疲劳纤维的光明前景。

“目前我们测量到的碳纳米管的耐疲劳性，从两个方面看都是所有材料中最好的。”魏飞对澎湃新闻记者表示，“一是从纯的力学拉伸耐疲劳性上看，可以承受的耐疲劳强度是最高的；同时耐疲劳性中有个最大强度与耐疲劳强度之比，我们测量到的也是所有材料中最高的，达到95%，再往上测量是由于这类测量方法的误差，测量不出来了。”

超长碳纳米管

所谓碳纳米管，是一种1991年被发现的新型低维维材料，由呈六边形排列的碳原子构成的单层或者多层圆管。

其优异的力学性能在人造肌肉、飞机机身、悬索桥、体育用具、电缆等领域有大量需求。一些观点认为，如果要实现著名的“太空电梯”构想，即建立从地球到空间的升降舱，那绳缆所用材料只能是碳纳米管。

然而，当单根力学性能优异的碳纳米管制备成宏观材料时，其理论值往往无法兑现。这是因为，形成纤维的碳纳米管单元体之间在拉力作用下极易发生相互滑移，管内的结构缺陷和杂乱取向等也都会导致纤维强度下降。

相比之下，厘米甚至分米长度的超长碳纳米管具有完美结构、一致取向和接近理论极限的力学性能，在制备超强纤维方面具有巨大的优势。

2013年，魏飞团队曾制备出半米长的碳纳米管，并实现99.9999%半导体性高纯度。

2018年，魏飞团队在世界上首次报道了强度高达80 GPa、接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束，其拉伸强度超越了所有其它纤维材料。

声学共振测试系统

不过，强度再高的材料也会疲劳。在交变应力下，当材料缺陷导致应力集中，即使压力值低于静态压力下的断裂强度，临界长度裂纹也会形成。

为此，魏飞团队开发了一种非接触式声学共振测试系统，设计纳米探针系统来分析单个厘米级碳纳米管的力学行为。具体来说，他们在碳纳米管上放置TiO2（二氧化钛）纳米颗粒，再通过数字信号控制的扬声器来发射低频声波，激发共振。改变这些颗粒的线性密度，就可以控制共振频率。

相比于纳米材料测试系统通常使用的电子显微镜，研究团队认为，这种新方法可以避免电子束破坏材料，且克服了对纳米材料进行样本夹持、高周次循环载荷施加的困难。

结果显示，碳纳米管展现出惊人的超耐疲劳特性。在大应变循环拉伸测试条件下，单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂，并在去掉载荷后依然保持初始的超高抗拉强度，耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。

研究团队同时对其进行了理论分析，得出超长碳纳米管与一般传统材料的疲劳损伤累积机制不同，其疲劳破坏呈现出整体破坏性，不存在损伤累积过程，一旦缺陷出现，随后的裂纹扩展是瞬时发生的。可以说，碳纳米管的寿命几乎完全由首个化学键断裂产生所需的时间决定。

此外，碳纳米管耐疲劳性受到温度影响，随着温度升高而下降，这与此前的理论预期一致。