納米碳鋁箔為什么效果比石墨片好？

近日，清華大學(xué)化工系教授魏飛、副教授張如范團隊在碳納米管耐疲勞性能研究方面取得重大突破，首次以實驗形式測試了厘米級長度單根碳納米管的超耐疲勞性能。相關(guān)成果以“超耐久性的超長碳納米管”為題，于8月28日在線發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

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(xué)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。

對于我們卓恒通采用這種碳納米管高導(dǎo)熱材料制備出納米碳鋁箔材料用于導(dǎo)熱散熱，也稱為納米碳鋁箔均熱片。

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(xué)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(xué)行為測試，研究團隊設(shè)計搭建了一個非接觸式聲學(xué)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(dǎo)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(yīng)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(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。

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(yīng)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(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(dǎo)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(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》《先進功能材料》《納米快報》等國際權(quán)威期刊。