清華化工系碳納米管團隊又取得重大突破：首次發現碳納米管驚人的耐疲勞性能

 人類已知力學性能最好的材料—碳納米管，又有新的重大發現。

 

近日，清華大學化工系魏飛教授和張如范副教授聯合團隊，在碳納米管的耐疲勞性能研究上取得重大突破，該團隊在國際上首次以實驗形式，測試出厘米級長度單根碳納米管的超耐疲勞性能。

 

相關成果以《超耐久性的超長碳納米管》(Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes)為題，于 8 月 28 日在線發表于《科學》雜志（Science）上，這也是清華大學化工系首次發表在《科學》的文章。

 

圖 | 本論文的通訊作者之一張如范副教授（圖源：受訪者）

 

DeepTech 采訪到張如范，他表示，材料的疲勞壽命測試是一個非常重要的課題，要想使材料長期服役，就得知道它的疲勞壽命有多久。

 

而材料的疲勞壽命，是決定服役時間的關鍵指標。比如，飛機使用的金屬材料，如果超出使用年限，可能就會引發空難。

 

碳納米管這一納米材料，發現于 20 世紀 90 年代，是由碳納米管以六元環形式組成的一維管狀結構納米材料，也是目前人類已知的力學性能最好的材料，它的強度和韌性都非常好，其強度大于 100GPa，楊氏模量大于 1TPa。

 

圖 | 碳納米管的結構與應用前景

 

碳納米管的密度只有鋼鐵的六分之一，因此它的質量非常輕，但是碳納米管單位質量上的拉伸強度，卻是鋼鐵的四百多倍， 遠超過目前人類已知的任何其他材料。

 

由于重量輕、韌性強，因此碳納米管在制備強度遠超碳纖維的下一代超強纖維方面具有巨大的優勢，在制備飛機骨架、導彈、火箭以及航天器等尖端領域具有廣闊的應用前景。

 

對于任何材料而言，要想使其長期服役，必須首先要搞清楚其疲勞壽命，從而可以根據其疲勞壽命設計該材料相應的服役年限。

 

但是，碳納米管非常細，直徑只有人類發絲的千分之一，由于其超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。

 

因此，發展一套有效的測試技術，探究單根碳納米管的疲勞行為和潛在的破壞機制，對于碳納米管的長期可靠應用具有極為重要的意義。

 

為解決這個問題，魏飛教授和張如范副教授團隊搭建了一個專用測量系統——非接觸式聲學共振測試系統（Acoustic Resonance Test system，ART 系統）。

 

自研 ART 系統，發現碳納米管 “驚人” 壽命

 

相比基于電子顯微鏡的納米材料測試系統，ART 系統具有四大優勢，其一可以避免電子束導致的樣品損傷，其二讓厘米長度的一維納米材料的疲勞測試成為可能，其三解決了小尺寸樣品的夾持問題，其四則攻克了高周次循環載荷的施加問題。

圖 | 超長碳納米管的耐疲勞性能：圖 A-E 為厘米級超長碳納米管樣品；圖 F-G 為非接觸式聲學共振測試系統機理示意圖；圖 H-I 為超長碳納米管的耐疲勞性能（來源：受訪者）

 

據張如范介紹，ART 系統的具體工作原理，是在一個懸空的、單根的碳納米管上負載一些二氧化鈦納米顆粒，利用這些顆粒對可見光的散射效應，從而可以在光學顯微鏡下，清晰地看到所制備的超長碳納米管。

基于這種可視化技術，就可以對單根碳納米管進行便捷的操縱，然后通過一個連接到信號發射器的揚聲器，發出不同頻率的聲波，即可用來驅動懸空碳納米管產生相應頻率的受迫振動。

 

此外，通過懸空碳納米管振動的頻率、時間以及發生振動的振幅，即可計算出其疲勞壽命。

概括來說，該 ART 系統巧妙解決了單根碳納米管電鏡中難以避免電子輻照損失、光學顯微鏡下難以觀測、普通測試裝備難以加持、難以施加長周期力學測試等各種技術難題，以一種便捷有效的方式，測量出單根碳納米管長時間循環下的疲勞壽命這一關鍵性能數據。

 

這是該研究團隊首次以實驗形式，完成碳納米管疲勞壽命的測試。研究結果顯示，碳納米管展現出驚人的超長耐疲勞壽命，在大應變循環拉伸測試條件下，單根碳納米管可以被連續拉伸上億次而不發生斷裂，并且在去掉載荷后，其抗拉強度依然能保持初始強度的 90% 以上。

 

這項發現將為碳納米管在相應領域的產品壽命設計上，提供重要參考依據。比如，飛機在天空飛翔、或起降時突然發生解體，常見的原因之一便是材料疲勞。

有了本項研究結果作參考，材料設計師在設計碳納米管材料的服役壽命時，就能更加有據可依。 

圖 | 碳納米管作為質輕超強材料在許多領域面臨廣闊的應用前景（來源：受訪者）

 

曾制備出世界最長碳納米管，“太空天梯”不是夢

 

在西方經典中，人類為了通天，曾建過一座巴別塔。上天攬月，也是中華民族古典傳說中的美好愿景?？梢哉f，上天登月是全人類的夢想。

 

早在一百多年前，被稱作 “人類火箭之父” 的齊奧爾科夫斯基曾提出一項大膽設想：人類可以制作一座連接地球表面與地球靜止軌道的天梯（總長度大約 9.6 萬公里），從而使人類以超低的成本自由往返太空。

 

要想制備太空電梯，最關鍵的問題是要尋找一種質量足夠強而強度又足夠高的材料。否則的話，若用常規材料做天梯，僅僅不到十公里的高度，材料自身的重量就足以把他們拉斷。

 

目前唯一有希望制備太空天梯的材料就是碳納米管。1997 年，《科學美國人》雜志以封面的形式刊登了利用碳納米管制備天梯的構想圖。2005 年，美國國家宇航局（NASA）將尋找用于制造太空天梯的材料列為“世紀挑戰”。

 

他們提出的目標是尋找一種單位質量的比強度達到 7.5 GPa/(g/cm3)的材料。而目前最好的碳纖維的質量比強度約為 3.5 GPa/(g/cm3)，遠遠低于該目標。這項挑戰一直到 2011 年項目取消都沒有人能夠實現上述目標。

圖 | 碳納米管制作 “天梯” 的設想

 

不過要實現登上 “天梯” 的夢想，就需要制備出單根長度達到米級以上的碳納米管。

 

自碳納米管被發現以來，如何提高其長度一直是未能攻克的世界難題。在 2010 年清華大學制備出 20 厘米的碳納米管后，國際上再也沒有新的突破。

 

就碳納米管在高溫中的生長過程而言，催化劑失活是不可逆的規律，這會直接限制碳納米管的長度。而且一旦催化劑失活，碳納米管密度就會急劇下降。因此，最大限度地提高催化劑活性概率，是進一步提高碳納米管長度的唯一途徑。

 

2013 年，還是清華大學化工系一名博士生的張如范結合材料制備和化工技術學科的交叉優勢，對碳納米管的制備方法進行大膽創新，將碳納米管的催化劑活性概率大幅提升，在世界上首次制備出單根長度達到半米以上的碳納米管，創造出新的世界紀錄，并以第一作者的身份在納米領域知名學術期刊《美國化學會 - 納米》（ACS Nano）上發表相關論文，相關工作被國內外媒體報道，引起了廣泛關注。

圖 | 2013 年 7 月 21 日張如范所在團隊制備出世界最長碳納米管（來源：受訪者）

 

留學斯坦福，又回清華園

 

2014 年博士畢業后，張如范赴美國斯坦福大學材料系崔屹教授課題組做了三年的博士后研究。2018 年，張如范入職清華大學化工系，目前是清華大學副教授、博士生導師、特別研究員，成立獨立研究團隊。

 

兩年以來，張如范主要從事碳納米材料以及功能納米材料的可控制備及其應用的研究，并以通訊作者身份在 Science、Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Small Methods、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal 等期刊發表論文十余篇。

 

2018 年，憑借在超長碳納米管研究領域取得的突出成果，張如范上榜 2018 年《麻省理工科技評論》中國區“35 歲以下科技創新 35 人”。隨后，張如范還獲得 2018 年中國化學會青年化學獎、2018 中國新銳科技人物、2019 年侯德榜化工科學技術青年獎等多種榮譽。

 

這位來自山東聊城的青年學者，日后仍會繼續在碳納米管領域進行攻關。無論是碳納米管超強纖維、碳納米管超級電纜還是碳納米管芯片，其承載的都是人類對高科技的美好愿景。而張如范等科研人員，正是背后那默默耕耘的造夢人。