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超強超韌和超耐疲勞性能的材料，在航空航天、軍事裝備、防彈衣、大型橋梁、運動器材、人造肌肉等眾多領域都面臨巨大的需求。碳納米管是典型的一維納米材料，也是目前已知的力學強度最高和韌性最好的材料，其宏觀強度和韌性均比目前廣泛使用的碳纖維和芳綸等材料高出一個數(shù)量級以上。然而，由于其小尺寸特性以及難以被測試的特點，單根碳納米管的疲勞行為以及疲勞破壞機制研究是該領域長期未能搞清楚的重大難題。由于疲勞可以在應力水平遠低于靜態(tài)斷裂強度的情況下發(fā)生，探究疲勞行為和潛在的破壞機制對于新材料的長期可靠性評估及應用具有極為重要的意義。

為開展單根厘米級長度碳納米管的疲勞力學行為測試，研究團隊設計搭建了一個非接觸式聲學共振測試系統(tǒng)（non-contact acoustic-resonance-test，ART）。與基于電子顯微鏡的納米材料測試系統(tǒng)相比，ART系統(tǒng)具有多方面優(yōu)勢，該系統(tǒng)不僅避免了電子束導致的樣品損傷，也使得厘米長度的一維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(huán)載荷的施加問題。

該研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管展現(xiàn)出驚人的超耐疲勞特性。在大應變循環(huán)拉伸測試條件下，單根碳納米管可以被連續(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度，耐疲勞性優(yōu)于目前所有工程纖維材料。與一般傳統(tǒng)材料的疲勞損傷累積機制不同，其疲勞破壞呈現(xiàn)出整體破壞性，不存在損傷累積過程，初始缺陷的生成對碳納米管的疲勞壽命起主導作用。此外，其耐疲勞性受到溫度影響，表現(xiàn)出隨著溫度升高而下降的特點。

超長碳納米管的耐疲勞性能.（A-E）厘米級超長碳納米管樣品；（F-G）非接觸式聲學共振測試系統(tǒng)機理示意圖;（H-I）超長碳納米管的耐疲勞性能。

這項工作揭示了超長碳納米管用于制造超強超耐疲勞纖維的光明前景，同時為碳納米管在許多領域應用的壽命設計提供了重要的參考依據(jù)。論文通訊作者為清華大學化工系教授魏飛和副教授張如范，第一作者為清華大學化工系2016級博士生白云祥，其他參與研究的作者包括清華大學化工系碩士生岳鴻杰、博士生申博淵、孫斯磊，清華大學航天航空學院李喜德教授、徐志平教授、王海東副教授以及博士生王進、王識君。該研究工作得到國家自然科學基金委員會和科技部國家重點研究發(fā)展計劃資助。

過去十年間，魏飛教授團隊在超長碳納米管生長機理、結構可控制備、性能表征和應用探索方面開展了大量研究，并取得了一系列重要突破。團隊曾制備出單根長度達半米以上的碳納米管，并具有完美結構和優(yōu)異性能，并可實現(xiàn)99.9999%半導體性高純度。此外，團隊首次發(fā)現(xiàn)了宏觀長度碳納米管管層間的超潤滑現(xiàn)象，并實現(xiàn)了單根碳納米管宏觀尺度下的光學可視化及可控操縱。制備出了強度高達80 GPa的碳納米管管束。以上成果相繼發(fā)表在《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology)《自然·通訊》（Nature Communications）《化學會評論》（Chemical Society Reviews）《化學研究評述》（Accounts of Chemical Research）《先進功能材料》（Advanced Materials）《美國化學學會·納米》（ACS Nano）《納米快報》（Nano Letters）等國際期刊上。

張如范，清華大學化工系副教授、博士生導師、特別研究員。2005-2009年本科就讀于中國石油大學（北京）化工學院，2009-2014年博士就讀于清華大學化工系，2014-2017年在斯坦福大學材料系從事博士后研究，2018年加入清華大學化工系并成立獨立研究團隊。主要從事納米碳材料與功能納米材料的可控制備與性能研究及應用方面的研究，在超長碳納米管的可控制備與性能表征、納米纖維的制備與應用、金屬有機框架材料（MOF）的結構調控及其電催化應用等領域取得多項重要成果。自2018年研究團隊成立以來，張如范副教授以通訊作者身份在《科學》（Science）、《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）、《先進材料》（Advanced Materials）、《化學工程期刊》（Chemical Engineering Journal）、《微尺度-方法》（Small Methods）、《材料化學期刊A》（Journal of Materials Chemistry A）、《化學-可持續(xù)化學》（ChemSusChem）、《復合物科學與技術》（Composites Science and Technology）等期刊發(fā)表論文十余篇，參與撰寫學術專著2部。獲2020年清華大學春季學期在線教學優(yōu)秀教師獎、2020年《材料化學期刊A》新銳研究者獎（2020 Emerging Investigators of Journal Materials Chemistry A）、2019年國家海外高層次人才引進計劃、2019年侯德榜化工科學技術青年獎、2018年《麻省理工科技評論》中國區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”、2018年中國化學會青年化學獎、2018中國新銳科技人物、2016年教育部自然科學一等獎、2015年瑞士喬諾法青年研究獎等榮譽和獎勵。

論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104