耐疲勞性是結構材料使用壽命的關鍵特性。碳納米管(CNTs)是迄今為止發現的強度最高的材料之一，但由于其尺寸大且缺乏有效的測量方法，因此測量其抗疲勞性能是一個挑戰。本文開發了一種非接觸聲共振測試系統，用于研究厘米級長的單個CNTs的疲勞行為。我們發現，CNTs具有良好的疲勞抗力，這與溫度有關，CNTs疲勞斷裂的時間主要由第一個缺陷產生的時間決定。研究發現，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生結構或手性變化的單個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試系統相比，ART系統不僅避免了電子束導致的樣品損傷，也使得厘米級長度納米材料的疲勞測試成為可能，同時還解決了小尺寸樣品夾持以及高周次循環載荷的施加問題。在大應變循環拉伸測試條件下，單根CNTs可以被連續拉伸上億次而不發生斷裂，并且在去掉載荷后，其依然能保持初始的超高抗拉強度，耐疲勞性優于目前所有工程纖維材料。此外，對CNTs的疲勞損傷累積機制進行研究發現，其疲勞破壞不存在損傷累積過程，同時初始缺陷的生成對CNTs的疲勞壽命起主導作用。這項工作揭示了超長CNTs用于制造超強超耐疲勞纖維的光明前景，同時為CNTs在許多領域應用的壽命設計提供了重要的參考依據。
Fig. 1. 碳納米管的結構和抗疲勞性能。
Fig. 2 碳納米管在室溫下的力學行為。
Fig. 3. 碳納米管在不同溫度下的疲勞行為。
相關研究成果于2020年由清華大學的魏飛課題組，發表在Science（https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104）上。原文：Super-durable ultralong carbon nanotubes。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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