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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(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。


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。

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(shè)計搭建了一個非接觸式聲學共振測試系統(tǒng)。與基于電子顯微鏡的納米材料測試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有多方面優(yōu)勢，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。

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(lǐng)域應用的壽命設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。

過去十年間，魏飛團隊在超長碳納米管生長機理、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》《自然·通訊》《先進功能材料》《納米快報》等國際權(quán)威期刊。