超强超韧和超耐疲劳性能的材料在航空航天、军事装备、防弹衣、大型桥梁、运动器材、人造肌肉等众多领域都面临巨大的需求。碳纳米管是典型的一维纳米材料，也是目前已知的力学强度最高和韧性最好的材料，其宏观强度和韧性均比目前广泛使用的碳纤维和芳纶等材料高出一个数量级以上。然而，由于其小尺寸特性以及难以被测试的特点，单根碳纳米管的疲劳行为以及疲劳破坏机制研究是该领域长期未能搞清楚的难题。由于疲劳可以在应力水平远低于静态断裂强度的情况下发生，探究疲劳行为和潜在的破坏机制对于新材料的应用和长期可靠性评估具有重要意义。
清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授团队首次以实验形式测试了厘米级长度单根超长碳纳米管的耐疲劳性。相关成果以《超耐久性的超长碳纳米管》Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes为题，于北京时间8月28日在线发表在Science上。论文通讯作者为清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授，第一作者为清华大学化工系2016级博士生白云祥，其他参与研究的作者包括清华大学化工系硕士生岳鸿杰、博士生申博渊、孙斯磊，清华大学航天航空学院李喜德教授、徐志平教授、王海东副教授以及博士生王进、王识君。
为开展单根厘米级长度碳纳米管的疲劳力学行为测试，研究团队设计搭建了一个非接触式声学共振测试系统（non-contact acoustic-resonance-test，ART）。与基于电子显微镜的纳米材料测试系统相比，ART系统具有多方面优势，该系统不仅避免了电子束导致的样品损伤，也使得厘米长度的一维纳米材料的疲劳测试成为可能，同时还解决了小尺寸样品夹持以及高周次循环载荷的施加问题。
图1. 超长碳纳米管的结构和疲劳测试方案
研究人员发现，碳纳米管具有十分优异的耐疲劳性。碳纳米管的耐疲劳性受到温度的影响，随着温度的升高而下降。
图2. 室温下的超长碳纳米管的耐疲劳性
同时，研究人员还对疲劳破坏的机制进行了探究。结果发现，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，未发现损伤累积过程，初始缺陷的生成对碳纳米管的疲劳寿命起主导作用。
图 3. 不同温度下的碳纳米管耐疲劳性
这项工作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，同时为碳纳米管各领域相关应用的寿命等设计提供了参考依据。
课题组成员简介：
魏飞，清华大学化学工程系教授，教育部“长江学者”特聘教授，绿色反应工程与工艺北京市重点实验室主任，中国颗粒学会能源颗粒材料专业委员会主任，发表论文600余篇，SCI他引4万余次，是汤森路透近五年材料领域高被引科学家之一。开发了世界最大规模的碳纳米管生产技术，在流态化、多相催化及碳纳米管领域贡献卓越。过去十几年间，魏飞教授团队在超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征和应用探索方面开展了大量研究，并取得了一系列重要突破。团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，并具有完美结构和优异性能，并可实现99.9999%半导体性高纯度。此外，团队首次发现了宏观长度碳纳米管管层间的超润滑现象，并实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵。制备出了强度高达80 GPa的碳纳米管管束。以上成果相继发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)《自然·通讯》（Nature Communications）《化学会评论》（Chemical Society Reviews）《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）《先进功能材料》（Advanced Materials）《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）《纳米快报》（Nano Letters）等国际期刊上，引起了学术界的广泛关注，为开展超长碳纳米管制备超强纤维打下了基础。
张如范，清华大学化工系副教授、博士生导师、特别研究员。2005-2009年本科就读于中国石油大学（北京）化工学院，2009-2014年博士就读于清华大学化工系，2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究，2018年加入清华大学化工系并成立独立研究团队。主要从事纳米碳材料与功能纳米材料的可控制备与性能研究及应用方面的研究，在超长碳纳米管的可控制备与性能表征、纳米纤维的制备与应用、金属有机框架材料（MOF）的结构调控及其电催化应用等领域取得多项重要成果。自2018年研究团队成立以来，张如范副教授以通讯作者身份在《科学》（Science）、《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）、《先进材料》（Advanced Materials）、《化学工程期刊》（Chemical Engineering Journal）、《微尺度-方法》（Small Methods）、《材料化学期刊A》（Journal of Materials Chemistry A）、《化学-可持续化学》（ChemSusChem）、《复合物科学与技术》（Composites Science and Technology）等期刊发表论文十余篇，参与撰写学术专著2部。获2020年清华大学春季学期在线教学优秀教师奖、2020年《材料化学期刊A》新锐研究者奖（2020 Emerging Investigators of Journal Materials Chemistry A）、2019年国家海外高层次人才引进计划、2019年侯德榜化工科学技术青年奖、2018年《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”、2018年中国化学会青年化学奖、2018中国新锐科技人物、2016年教育部自然科学一等奖、2015年瑞士乔诺法青年研究奖等荣誉和奖励。
论文链接：
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