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超強(qiáng)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(yùn)動(dòng)器材、人造肌肉等眾多領(lǐng)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(xué)強(qiáng)度最高和韌性最好的材料，其宏觀強(qiáng)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(gè)數(shù)量級(jí)以上。


超長(zhǎng)碳納米管的耐疲勞性能.（A-E）厘米級(jí)超長(zhǎng)碳納米管樣品；（F-G）非接觸式聲學(xué)共振測(cè)試系統(tǒng)機(jī)理示意圖;（H-I）超長(zhǎng)碳納米管的耐疲勞性能。

為開展單根厘米級(jí)長(zhǎng)度碳納米管的疲勞力學(xué)行為測(cè)試，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)搭建了一個(gè)非接觸式聲學(xué)共振測(cè)試系統(tǒng)。與基于電子顯微鏡的納米材料測(cè)試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有多方面優(yōu)勢(shì)，不僅避免了電子束導(dǎo)致的樣品損傷，也使得厘米長(zhǎng)度的一維納米材料的疲勞測(cè)試成為可能，同時(shí)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(yīng)變循環(huán)拉伸測(cè)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(qiáng)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(jī)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(duì)碳納米管的疲勞壽命起主導(dǎo)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(diǎn)。

這項(xiàng)工作揭示了超長(zhǎng)碳納米管用于制造超強(qiáng)超耐疲勞纖維的光明前景，同時(shí)為碳納米管在許多領(lǐng)域應(yīng)用的壽命設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

過去十年間，魏飛團(tuán)隊(duì)在超長(zhǎng)碳納米管生長(zhǎng)機(jī)理、結(jié)構(gòu)可控制備、性能表征和應(yīng)用探索方面開展了大量研究，并取得了一系列重要突破。團(tuán)隊(duì)曾制備出單根長(zhǎng)度達(dá)半米以上的碳納米管，并具有完美結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，并可實(shí)現(xiàn)99.9999%半導(dǎo)體性高純度。此外，團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了宏觀長(zhǎng)度碳納米管管層間的超潤(rùn)滑現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)了單根碳納米管宏觀尺度下的光學(xué)可視化及可控操縱。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》《自然·通訊》《先進(jìn)功能材料》《納米快報(bào)》等國(guó)際權(quán)威期刊。