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清华大学魏飞、张如范团队发文报道碳纳米管耐疲劳性能研究取得重大突破

发布时间:2020-09-03 09:29:00

8月28日,中国颗粒学会能源颗粒专委会主任、清华大学化工系魏飞教授,中国颗粒学会青年理事、清华大学化工系张如范副教授率领团队攻克了碳纳米管耐疲劳性能测试研究方面的重要难题,在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上刊发了题为《Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes》的文章,首次以实验形式测试了厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能,第一作者为化工系2016级博士生白云祥,此外清华大学化工系硕士生岳鸿杰、博士生申博渊、孙斯磊及清华大学航天航空学院李喜德教授、徐志平教授、王海东副教授以及博士生王进、王识君共同参与了此项研究,该研究工作得到国家自然科学基金委员会和科技部国家重点研究发展计划资助。

 

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21世纪是材料的世纪,新型材料极大的推动着军事及工业的变革。超强超韧和超耐疲劳性能的材料在航空航天、军事装备、防弹衣、大型桥梁、运动器材、人造肌肉等众多领域都面临巨大的需求。碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化,相比SP3杂化,SP2杂化中S轨道成分比较大,使碳纳米管具有高模量和高强度。

抗疲劳性能是结构材料使用寿命的关键性能。众所周知,材料的失效主要是由疲劳引起的,而不是化学键的广泛断裂。目前用于理解疲劳过程的主流范式是基于循环加载过程中缺陷引起的应力集中,以及一旦临界长度裂纹形成后的破坏。碳纳米管(CNTs)是迄今为止发现的最坚固的材料之一,但由于其尺寸和对如此小的样品缺乏有效的测量方法,测量其抗疲劳性是一项挑战。

该实验开创性的搭建了非接触式声学共振系统(non-contact acoustic-resonance-test,ART)。与基于电子显微镜的纳米材料测试系统相比,ART系统具有多方面优势,该系统不仅避免了电子束导致的样品损伤,也使得厘米长度的一维纳米材料的疲劳测试成为可能,同时还解决了小尺寸样品夹持以及高周次循环载荷的施加问题,借由此系统,该团队成功探究了超长碳纳米管耐疲劳性能。

 

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非接触式声学共振系统探究超长碳纳米管结构与疲劳性能,(A-E)厘米级超长碳纳米管样品;(F-G)非接触式声学共振测试系统机理示意图;
 

该团队探究发现,碳纳米管具有优异的耐疲劳性,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,其依然能保持初始的超高抗拉强度,耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。但同传统高分子材料类似,耐疲劳行受温度影响,随温度升高而下降。
 

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室温下超长纳米管耐疲劳性
 

该工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强超耐疲劳纤维的光明前景,同时为碳纳米管在许多领域应用的寿命设计提供了重要的参考依据。针对这项成果,张如范老师谈到:“碳纳米管是典型的一维纳米材料,如何测其疲劳寿命一直是一个重大挑战,我们自主设计了一个独特声波驱动装置,测量出碳纳米管极人的抗疲劳寿命!回想起2009年我来到清华做本科毕业设计时,就开始做这项工作,首先发现了碳纳米管的光学可视化及其广泛应用,并将与这个工作相关的论文陆续发表在Advanced Materials、Nature Communications、Nature Nanotechnology、Nano Letters等期刊上。在魏飞老师指导下,我们在这个领域继续攻坚克难,十年磨一剑,终于取得突破!感谢魏飞老师的指导,感谢优秀的白云祥同学的辛苦努力,感谢李喜德、徐志平和王海东老师课题组及其学生的大力支持!”

过去十年间,魏飞教授团队在超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征和应用探索方面开展了大量研究,并取得了一系列重要突破。团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管,并具有完美结构和优异性能,并可实现99.9999%半导体性高纯度。此外,团队首次发现了宏观长度碳纳米管管层间的超润滑现象,并实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵。制备出了强度高达80 GPa的碳纳米管管束。以上成果相继发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)《自然·通讯》(Nature Communications)《化学会评论》(Chemical Society Reviews)《化学研究评述》(Accounts of Chemical Research)《先进功能材料》(Advanced Materials)《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)《纳米快报》(Nano Letters)等国际期刊上。

 

论文链接:

http://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104

 

人物介绍

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魏飞
 

现任清华大学化工系教授、博士生导师,北京市“绿色化学反应工程和技术”重点实验室主任,清华大学长江学者特聘教授,中国颗粒学会生物颗粒专委会主任,曾任《中国粉体技术》主编、中国颗粒学会副理事长。

研究领域包括多相流和多相流反应堆。魏教授赢得过很多荣誉和奖励,如国家杰出青年科学奖(1996 ),中国青年特殊贡献奖(1997 ),1999 年被国家教育部授予“杰出科学家”荣誉称号。有超过 200 篇著作和论文出版。

在多相流反应工程方面完成了齐鲁4万吨/年5.6米直径反应器新型分布器及高桥化工厂2.8米直径工业反应器新型分布器工业试验,创经济效益5200万元。高密度循环流化床工业中试等大型工业工程项目科研。石化总公司的技术鉴定认为达到国际先进水平。开发的磷光颗粒示踪技术、光纤一维成像分析技术及激光多普勒高浓度测速技术使所从事的气固并流下行床研究及高密度提升管研究取得了很多的进展,其中,气固并流下行床研究经同行专家鉴定认为达到国际领先水平。

1996年获教育部优秀年轻教师基金。

1996年获第三届中国优秀博士后(“国氏”十佳)奖。

1996年获清华大学学术新人奖。

1996年获国家杰出青年科学奖。

1997年获中国青年特殊贡献奖。

1997年获国家自然科学基金杰出青年基金。

1997年获教育部跨世纪优秀人才。

1998年获第六届中国青年科技奖。

1999年获长江学者奖励计划教授。

1999年获“杰出科学家”荣誉称号。

1999年获第一届中国颗粒学会“青年颗粒学奖”。

2000年获教育部长江学者。

2002年获北京市“五四”青年奖章。

2002年获国家科技进步二等奖。

2001年获中国石油化工集团科技进步一等奖。

2006年获教育部自然科学一等奖。

2006年获全国优秀博士后。

2006年获北京市优秀教师。

2007年获中国石油化工集团公司科技进步一等奖。

2008年获中国石化集团公司科技进步一等奖。

 

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张如范
 

清华大学化工系副教授、博士生导师、特别研究员、中国颗粒学会青年理事。

主要从事纳米碳材料与功能纳米材料的可控制备与性能研究及应用方面的研究,在超长碳纳米管的可控制备与性能表征、纳米纤维的制备与应用、金属有机框架材料(MOF)的结构调控及其电催化应用等领域取得多项重要成果。

自2018年研究团队成立以来,张如范副教授以通讯作者身份在《科学》(Science)、《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)、《先进材料》(Advanced Materials)、《化学工程期刊》(Chemical Engineering Journal)、《微尺度-方法》(Small Methods)、《材料化学期刊A》(Journal of Materials Chemistry A)、《化学-可持续化学》(ChemSusChem)、《复合物科学与技术》(Composites Science and Technology)等期刊发表论文十余篇,参与撰写学术专著2部。获2020年清华大学春季学期在线教学优秀教师奖、2020年《材料化学期刊A》新锐研究者奖(2020 Emerging Investigators of Journal Materials Chemistry A)、2019年国家海外高层次人才引进计划、2019年侯德榜化工科学技术青年奖、2018年《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”、2018年中国化学会青年化学奖、2018中国新锐科技人物、2016年教育部自然科学一等奖、2015年瑞士乔诺法青年研究奖等荣誉和奖励。



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