清華大學魏飛&張如范今日最新Science：揭秘厘米級碳納米管的抗疲勞性的最新檢測技術

CYM 3年前 (2020-08-28) 6916瀏覽

【引言】

抗疲勞性強的材料在如人造肌肉，飛機制造，懸索橋，防彈衣，電纜，運動器材等方面得到了廣泛的應用。諸如碳納米管（CNTs）和石墨烯等低維材料通常具有出色的強度，同時對這些納米材料已經進行了大量的研究。眾所周知，材料的故障主要是由疲勞引起的，而不是由化學鍵的廣泛斷裂引起的。在循環應力下，失效發生的應力值低于靜態載荷下的固有強度。當前用于理解疲勞過程的主要范例是基于缺陷，這些缺陷會在循環載荷過程中引起應力集中，一旦形成臨界長度裂紋，就會導致隨后的破壞的產生。抗疲勞性是結構材料使用壽命的關鍵特性，碳納米管（CNTs）是迄今發現的最堅固的材料之一，但由于其尺寸大且缺乏用于此類材料的有效測量方法，因此測量其抗疲勞性是一項挑戰。

近日，清華大學魏飛教授與張如范教授（共同通訊作者）合作開發了一種非接觸聲共振測試系統（ART），使用化學氣相沉積來生長厘米級的碳納米管。然后，使用二氧化鈦納米粒子裝飾這些納米管以進行光學可視化，發現碳納米管疲勞壽命取決于應變時初次缺陷的形成，并且在較低溫度下疲勞壽命更高。具體來講，具有不同手性的CNT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CNT將在該方向上顯示顏色變化。設計了配備納米探針系統的非接觸聲共振測試（ART）系統，以研究各個CNT的機械性能。作者將TiO₂納米顆粒沉積到懸浮的CNT上，以使其可視化，并控制其共振頻率，這是通過改變弦線密度來實現的。通過改變TiO₂在CNT上的量，從而實現共振頻率從MHz降低到數百Hz。通過從由數字信號發生器控制的揚聲器發出低頻聲波來激發共振振動。與使用電子顯微鏡的普通納米材料測試系統不同，本文ART系統在環境條件下不僅避免了由電子束引起的缺陷形成的可能性，而且還可以測試數量級更長的樣本。相關研究成果以“Super-durable ultralong carbon nanotubes?”為題于2020年8月28日發表在Science上。