耐疲勞性是結(jié)構(gòu)材料使用壽命的關(guān)鍵特性。碳納米管(CNTs)是迄今為止發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度最高的材料之一，但由于其尺寸大且缺乏有效的測(cè)量方法，因此測(cè)量其抗疲勞性能是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文開發(fā)了一種非接觸聲共振測(cè)試系統(tǒng)，用于研究厘米級(jí)長(zhǎng)的單個(gè)CNTs的疲勞行為。我們發(fā)現(xiàn)，CNTs具有良好的疲勞抗力，這與溫度有關(guān)，CNTs疲勞斷裂的時(shí)間主要由第一個(gè)缺陷產(chǎn)生的時(shí)間決定。研究發(fā)現(xiàn)，手性不同的CNTs在共振中顯示出不同的顏色，因此，具有沿其軸向方向發(fā)生結(jié)構(gòu)或手性變化的單個(gè)CNTs將在該方向上顯示顏色變化。與基于電子顯微鏡的納米材料測(cè)試系統(tǒng)相比，ART系統(tǒng)不僅避免了電子束導(dǎo)致的樣品損傷，也使得厘米級(jí)長(zhǎng)度納米材料的疲勞測(cè)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。在大應(yīng)變循環(huán)拉伸測(cè)試條件下，單根CNTs可以被連續(xù)拉伸上億次而不發(fā)生斷裂，并且在去掉載荷后，其依然能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。此外，對(duì)CNTs的疲勞損傷累積機(jī)制進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其疲勞破壞不存在損傷累積過程，同時(shí)初始缺陷的生成對(duì)CNTs的疲勞壽命起主導(dǎo)作用。這項(xiàng)工作揭示了超長(zhǎng)CNTs用于制造超強(qiáng)超耐疲勞纖維的光明前景，同時(shí)為CNTs在許多領(lǐng)域應(yīng)用的壽命設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。
Fig. 1. 碳納米管的結(jié)構(gòu)和抗疲勞性能。
Fig. 2 碳納米管在室溫下的力學(xué)行為。
Fig. 3. 碳納米管在不同溫度下的疲勞行為。
相關(guān)研究成果于2020年由清華大學(xué)的魏飛課題組，發(fā)表在Science（https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104）上。原文：Super-durable ultralong carbon nanotubes。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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