清华化工系碳纳米管团队重大突破:发现碳纳米管惊人的耐疲劳性能

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清华化工系碳纳米管团队重大突破:发现碳纳米管惊人的耐疲劳性能
麻省理工科技评论 2020-08-30

2020-08-30

碳纳米管,又有新的重大发现。
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碳纳米管,又有新的重大发现。

人类已知力学性能最好的材料—碳纳米管,又有新的重大发现。

近日,清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授联合团队,在碳纳米管的耐疲劳性能研究上取得重大突破,该团队在国际上首次以实验形式,测试出厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。

相关成果以《超耐久性的超长碳纳米管》(Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes)为题,于 8 月 28 日在线发表于《科学》杂志(Science)上,这也是清华大学化工系首次发表在《科学》的文章。

图 | 本论文的通讯作者之一张如范副教授(图源:受访者)

DeepTech 采访到张如范,他表示,材料的疲劳寿命测试是一个非常重要的课题,要想使材料长期服役,就得知道它的疲劳寿命有多久。

而材料的疲劳寿命,是决定服役时间的关键指标。比如,飞机使用的金属材料,如果超出使用年限,可能就会引发空难。

碳纳米管这一纳米材料,发现于 20 世纪 90 年代,是由碳纳米管以六元环形式组成的一维管状结构纳米材料,也是目前人类已知的力学性能最好的材料,它的强度和韧性都非常好,其强度大于 100GPa,杨氏模量大于 1TPa。

图 | 碳纳米管的结构与应用前景

碳纳米管的密度只有钢铁的六分之一,因此它的质量非常轻,但是碳纳米管单位质量上的拉伸强度,却是钢铁的四百多倍, 远超过目前人类已知的任何其他材料。

由于重量轻、韧性强,因此碳纳米管在制备强度远超碳纤维的下一代超强纤维方面具有巨大的优势,在制备飞机骨架、导弹、火箭以及航天器等尖端领域具有广阔的应用前景。

对于任何材料而言,要想使其长期服役,必须首先要搞清楚其疲劳寿命,从而可以根据其疲劳寿命设计该材料相应的服役年限。

但是,碳纳米管非常细,直径只有人类发丝的千分之一,由于其超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重大难题。

因此,发展一套有效的测试技术,探究单根碳纳米管的疲劳行为和潜在的破坏机制,对于碳纳米管的长期可靠应用具有极为重要的意义。

为解决这个问题,魏飞教授和张如范副教授团队搭建了一个专用测量系统——非接触式声学共振测试系统(Acoustic Resonance Test system,ART 系统)。

自研 ART 系统,发现碳纳米管 “惊人” 寿命

相比基于电子显微镜的纳米材料测试系统,ART 系统具有四大优势,其一可以避免电子束导致的样品损伤,其二让厘米长度的一维纳米材料的疲劳测试成为可能,其三解决了小尺寸样品的夹持问题,其四则攻克了高周次循环载荷的施加问题。


图 | 超长碳纳米管的耐疲劳性能:图 A-E 为厘米级超长碳纳米管样品;图 F-G 为非接触式声学共振测试系统机理示意图;图 H-I 为超长碳纳米管的耐疲劳性能(来源:受访者)

据张如范介绍,ART 系统的具体工作原理,是在一个悬空的、单根的碳纳米管上负载一些二氧化钛纳米颗粒,利用这些颗粒对可见光的散射效应,从而可以在光学显微镜下,清晰地看到所制备的超长碳纳米管。

基于这种可视化技术,就可以对单根碳纳米管进行便捷的操纵,然后通过一个连接到信号发射器的扬声器,发出不同频率的声波,即可用来驱动悬空碳纳米管产生相应频率的受迫振动。

此外,通过悬空碳纳米管振动的频率、时间以及发生振动的振幅,即可计算出其疲劳寿命。

概括来说,该 ART 系统巧妙解决了单根碳纳米管电镜中难以避免电子辐照损失、光学显微镜下难以观测、普通测试装备难以加持、难以施加长周期力学测试等各种技术难题,以一种便捷有效的方式,测量出单根碳纳米管长时间循环下的疲劳寿命这一关键性能数据。

这是该研究团队首次以实验形式,完成碳纳米管疲劳寿命的测试。研究结果显示,碳纳米管展现出惊人的超长耐疲劳寿命,在大应变循环拉伸测试条件下,单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂,并且在去掉载荷后,其抗拉强度依然能保持初始强度的 90% 以上。

这项发现将为碳纳米管在相应领域的产品寿命设计上,提供重要参考依据。比如,飞机在天空飞翔、或起降时突然发生解体,常见的原因之一便是材料疲劳。

有了本项研究结果作参考,材料设计师在设计碳纳米管材料的服役寿命时,就能更加有据可依。

图 | 碳纳米管作为质轻超强材料在许多领域面临广阔的应用前景(来源:受访者)

曾制备出世界最长碳纳米管,“太空天梯”不是梦

在西方经典中,人类为了通天,曾建过一座巴别塔。上天揽月,也是中华民族古典传说中的美好愿景。可以说,上天登月是全人类的梦想。

早在一百多年前,被称作 “人类火箭之父” 的齐奥尔科夫斯基曾提出一项大胆设想:人类可以制作一座连接地球表面与地球静止轨道的天梯(总长度大约 9.6 万公里),从而使人类以超低的成本自由往返太空。

要想制备太空电梯,最关键的问题是要寻找一种质量足够强而强度又足够高的材料。否则的话,若用常规材料做天梯,仅仅不到十公里的高度,材料自身的重量就足以把他们拉断。

目前唯一有希望制备太空天梯的材料就是碳纳米管。1997 年,《科学美国人》杂志以封面的形式刊登了利用碳纳米管制备天梯的构想图。2005 年,美国国家宇航局(NASA)将寻找用于制造太空天梯的材料列为“世纪挑战”。

他们提出的目标是寻找一种单位质量的比强度达到 7.5 GPa/(g/cm3)的材料。而目前最好的碳纤维的质量比强度约为 3.5 GPa/(g/cm3),远远低于该目标。这项挑战一直到 2011 年项目取消都没有人能够实现上述目标。

图 | 碳纳米管制作 “天梯” 的设想

不过要实现登上 “天梯” 的梦想,就需要制备出单根长度达到米级以上的碳纳米管。

自碳纳米管被发现以来,如何提高其长度一直是未能攻克的世界难题。在 2010 年清华大学制备出 20 厘米的碳纳米管后,国际上再也没有新的突破。

就碳纳米管在高温中的生长过程而言,催化剂失活是不可逆的规律,这会直接限制碳纳米管的长度。而且一旦催化剂失活,碳纳米管密度就会急剧下降。因此,最大限度地提高催化剂活性概率,是进一步提高碳纳米管长度的唯一途径。

2013 年,还是清华大学化工系一名博士生的张如范结合材料制备和化工技术学科的交叉优势,对碳纳米管的制备方法进行大胆创新,将碳纳米管的催化剂活性概率大幅提升,在世界上首次制备出单根长度达到半米以上的碳纳米管,创造出新的世界纪录,并以第一作者的身份在纳米领域知名学术期刊《美国化学会 - 纳米》(ACS Nano)上发表相关论文,相关工作被国内外媒体报道,引起了广泛关注。

图 | 2013 年 7 月 21 日张如范所在团队制备出世界最长碳纳米管(来源:受访者)

留学斯坦福,又回清华园

2014 年博士毕业后,张如范赴美国斯坦福大学材料系崔屹教授课题组做了三年的博士后研究。2018 年,张如范入职清华大学化工系,目前是清华大学副教授、博士生导师、特别研究员,成立独立研究团队。

两年以来,张如范主要从事碳纳米材料以及功能纳米材料的可控制备及其应用的研究,并以通讯作者身份在 Science、Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Small Methods、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal 等期刊发表论文十余篇。

2018 年,凭借在超长碳纳米管研究领域取得的突出成果,张如范上榜 2018 年《麻省理工科技评论》中国区“35 岁以下科技创新 35 人”。随后,张如范还获得 2018 年中国化学会青年化学奖、2018 中国新锐科技人物、2019 年侯德榜化工科学技术青年奖等多种荣誉。

这位来自山东聊城的青年学者,日后仍会继续在碳纳米管领域进行攻关。无论是碳纳米管超强纤维、碳纳米管超级电缆还是碳纳米管芯片,其承载的都是人类对高科技的美好愿景。而张如范等科研人员,正是背后那默默耕耘的造梦人。

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