不知疲倦，成就一篇Science：清华大学魏飞/张如范等人在超长碳纳米管产业化应用的卡脖子难题取得新进展！
Glenn
2020-08-28
1. 开发了一个非接触式声学共振测试系统，用于研究超长碳纳米管的疲劳行为2. 揭示了超长碳纳米管长时间服役失效的微观机制，发现其抗疲劳性取决于温度，并且碳纳米管的疲劳断裂时间由第一个缺陷产生的时间决定。1991年，高分辨电子显微学的奠基人之一，日本Iijima教授首次宣布观察到纳米碳管。30年来，科学家从未停止过对碳纳米管的探索。碳纳米管本征拉伸强度达到100 GPa，是迄今为止发现的强度最高的材料之一，在人造肌肉，飞机机身，悬索桥，防弹衣，电缆，运动器材，甚至是太空电梯等领域，都极具应用前景。但是，产业化，尤其是在关键领域的产业化应用，始终存在一个卡脖子难题：常规碳纳米管长度仅有微米级，一旦将短碳纳米管组装成纤维，就会因为相互堆叠和纠缠而产生缺陷、杂质、随机取向以及不连续的长度等问题，导致其失去纳米尺度时的超级强度，这也是碳纳米管却迟迟无法实现美国航天局设定的“7.5 GPa cm3g–1”的梦之绳索的目标的关键原因。清华大学魏飞教授长期从事碳纳米管相关研究，在该领域取得了一系列重大突破。早在2018年，魏飞教授及其合作者就在Nature Nnaotechnology发表论文，报道了一种超长、无缺陷、拉伸强度高达80 GPa以上的超级碳纳米管纤维，这种超长碳纳米管束拉伸强度秒杀所有纤维，基本解决了从微观组装到宏观尺度，碳纳米管仍然不失去其超级强度的问题。那么，还有一个抗疲劳的问题悬而未决，这也是大部分高性能材料领域的共性关键问题之一。大量研究表明，材料的失效主要是由疲劳引起的，而不是由化学键的大量断裂引起的。在循环应力作用下，失效主要发生在应力值低于静态载荷下的固有强度的情况下。当前对于疲劳过程的理解主要基于缺陷，因为缺陷会导致在循环载荷过程中引起应力集中，一旦形成临界长度裂纹，就会导致随后的失效。抗疲劳性是结构材料使用寿命的一个关键特性，对抗疲劳性的有效测量决定了能否为抗疲劳提供解决方案。但是，测量材料的抗疲劳性颇具挑战，因为它们的特征尺寸实在太小，并且缺乏针对这种小样品的有效测量方法。针对这一挑战，清华大学魏飞教授和张如范副教授团队以“Super-durableUltralong Carbon Nanotubes”为题，在最新一期的Science上发表研究成果，开发了一个非接触式声学共振测试系统，用于研究厘米长的单个碳纳米管的疲劳行为。实验结果发现，碳纳米管具有优异的抗疲劳性，其抗疲劳性取决于温度，并且碳纳米管的疲劳断裂时间由第一个缺陷产生的时间决定。疲劳实验在不同的加载频率和温度下进行，结果表明碳纳米管的寿命几乎与加载频率无关，而是取决于温度。较高的温度导致较低的抗疲劳性。实验还观察到，在200 K的低温下，样品显示出比环境温度下更高的抗疲劳性。对于碳纳米管的断裂应变也观察到相同的趋势，这与先前的理论工作一致。这也意味着碳纳米管在低温下具有更高的韧性，因为模量在低温下几乎没有变化。碳纳米管的疲劳断裂取决于所施加的应变和温度，而不是加载频率，这一观察结果暗示存在一个热激活过程。作者的研究数据和提出的模型十分吻合，即碳纳米管发生第一次键旋转所需的时间，这说明随后的缺陷/裂纹扩展是瞬时的，也就是说，所需的时间可以忽略不计。或者说，碳纳米管的疲劳破坏是整体性的，没有渐进的损伤过程。因此，在第一次缺陷产生的时间决定了碳纳米管的寿命。总的来说，这项研究为碳纳米管的超级抗疲劳研究提供了全新的视角和解决方案，为解决高性能碳纳米管的产业化应用的卡脖子难题起到了重大推动作用。Yunxiang Bai et al. Super-durable ultralong carbon nanotubes. Science 2020, 369, 1104-1106.https://science.sciencemag.org/content/369/6507/104
版权声明：
本平台根据相关科技期刊文献、教材以及网站编译整理的内容，仅用于对相关科学作品的介绍、评论以及课堂教学或科学研究，不得作为商业用途。
