清华大学魏飞&张如范今日最新Science：揭秘厘米级碳纳米管的抗疲劳性的最新检测技术

CYM 4年前 (2020-08-28) 8233浏览

【引言】

抗疲劳性强的材料在如人造肌肉，飞机制造，悬索桥，防弹衣，电缆，运动器材等方面得到了广泛的应用。诸如碳纳米管（CNTs）和石墨烯等低维材料通常具有出色的强度，同时对这些纳米材料已经进行了大量的研究。众所周知，材料的故障主要是由疲劳引起的，而不是由化学键的广泛断裂引起的。在循环应力下，失效发生的应力值低于静态载荷下的固有强度。当前用于理解疲劳过程的主要范例是基于缺陷，这些缺陷会在循环载荷过程中引起应力集中，一旦形成临界长度裂纹，就会导致随后的破坏的产生。抗疲劳性是结构材料使用寿命的关键特性，碳纳米管（CNTs）是迄今发现的最坚固的材料之一，但由于其尺寸大且缺乏用于此类材料的有效测量方法，因此测量其抗疲劳性是一项挑战。

近日，清华大学魏飞教授与张如范教授（共同通讯作者）合作开发了一种非接触声共振测试系统（ART），使用化学气相沉积来生长厘米级的碳纳米管。然后，使用二氧化钛纳米粒子装饰这些纳米管以进行光学可视化，发现碳纳米管疲劳寿命取决于应变时初次缺陷的形成，并且在较低温度下疲劳寿命更高。具体来讲，具有不同手性的CNT在共振中显示出不同的颜色，因此，具有沿其轴向方向发生结构或手性变化的单个CNT将在该方向上显示颜色变化。设计了配备纳米探针系统的非接触声共振测试（ART）系统，以研究各个CNT的机械性能。作者将TiO₂纳米颗粒沉积到悬浮的CNT上，以使其可视化，并控制其共振频率，这是通过改变弦线密度来实现的。通过改变TiO₂在CNT上的量，从而实现共振频率从MHz降低到数百Hz。通过从由数字信号发生器控制的扬声器发出低频声波来激发共振振动。与使用电子显微镜的普通纳米材料测试系统不同，本文ART系统在环境条件下不仅避免了由电子束引起的缺陷形成的可能性，而且还可以测试数量级更长的样本。相关研究成果以“Super-durable ultralong carbon nanotubes ”为题于2020年8月28日发表在Science上。