材料失效行为研究对于工程应用设计至关重要，其目的是为了确定材料的失效极限，探索失效机制，并基于此提出与抵抗破坏或服役性能相关的极端应用中的强化和防护策略。碳纳米管（CNTs）具有优异的力学、电学和热学性能，使其在超强纤维、悬索桥、体育器材、人造肌肉、柔性电子产品、闪电防护材料、甚至太空电梯等众多前沿应用中有着巨大的潜力。然而，碳纳米管及其聚集体在实际应用中不可避免地会涉及到失效防护以及安全设计问题。因此，研究碳纳米管及其聚集体的失效极限和失效机制非常重要。

近期，白云祥/张忠等综述了碳纳米管及其聚集体的力电失效研究进展，为跨尺度的碳纳米管及其聚集体应用提供参考。该综述首先阐述了几种失效方式，并论述了研究材料失效的重要性。根据失效方式，材料失效可分为机械失效、电气失效、化学失效(如氧腐蚀)等。根据时间尺度，材料破坏可分为准静态破坏、动态破坏、疲劳破坏等。材料失效的研究是为了确定材料的失效极限和失效机制，并为极端应用提出加强和保护措施。其次，对碳纳米管进行了简要介绍。碳纳米管是由多层或者单层石墨篇卷曲形成的一维纳米材料，全碳碳sp2共价键构成，贡献给了碳纳米管及其优异的耐受力学、电学、热学破坏的能力。根据聚集形貌的不同，碳纳米管可分为聚团状碳纳米管，垂直阵列状碳纳米管，超长水平阵列碳纳米管(简称超长碳纳米管)。随后，作者综述了碳纳米管及其聚集体的力电失效特性，研究表明，碳纳米管具有轻质、高强韧、耐疲劳、耐高温等优势，适作为飞轮材料用于飞轮储能，贡献给飞轮储能超高的能量密度、功率密度、服役寿命及较宽的温度应用区间；同时，其轻质、力学性能优异、导电导热性能优异、耐烧蚀、耐化学腐蚀、与树脂相容性好等优势，可用于大飞机等的闪电防护应用，实现轻质、耐腐蚀、结构功能一体化等优异效果。然而，碳纳米管聚集体存在“尺寸效应”(缺陷、界面性能差、长度不连续、致密度低及杂质等因素)，限制了其在实际应用中发挥更大作用。为了解决上述问题，文章总结了聚合物交联、致密化、拉伸强化、进一步取向等方法提高碳纳米管聚集体的力电性能，以期能进一步拓展其在极端条件下的应用。

最后，作者提出了关于碳纳米管失效分析及其极端应用的机遇与挑战：（1）进一步发展超长无缺陷碳纳米管的合成技术，实现无缺陷超长碳纳米管的宏量制备；发展碳纳米管的无损高强“焊接“技术。（2）克服“尺寸效应”，制备出力学和电学性能接近单根碳纳米管的碳纳米管宏观聚集体；其极端热学性质也有待进一步探索。（3）在飞轮储能应用方面，需要制备出耐疲劳性接近单根的碳纳米管纤维。对于闪电防护而言，碳纳米管与聚合物基体的界面性能有待进一步提升。隔离层可以进一步优化实现减重，并探索更多基于碳纳米管的极端应用。

图1：碳纳米管的组装、性质及其典型极端应用

第一作者：朱明权，国家纳米科学中心2020级博士研究生。

通讯作者：白云祥，现任国家纳米科学中心A类特别研究助理，2022年度“博新计划”入选者，青促会会员。曾于2016年获得北京化工大学学士学位，2021年获得清华大学博士学位，2018年于美国斯坦福大学联合培养一年。以第一（共一）/通讯作者在Science（该期网站四大推介成果之一），Nat. Nanotechnol.（封面），Adv. Mater.（卷首插画论文），J. Mech. Phys. Solids（固体力学顶刊），Acc. Mater. Res.等期刊发表论文。多次受邀做大会/高校邀请报告，曾获“2022年度中国颗粒学会优秀博士论文”（10/全国）等。当前研究兴趣为碳纳米管极端服役行为及其应用。

通讯作者：张忠，中国科学技术大学教授，博士生导师。长期从事纳米复合材料力学、结构功能一体化纳米复合材料应用基础研究。先后获德国洪堡Sofja Kovalevskaja Award, “中国科学院先进工作者”等荣誉，曾获国家杰出青年科学基金资助。担任国际复合材料领域知名学术期刊Composites Part A中国主编，《固体力学学报》副主编，多个国内外力学和复合材料学术期刊编委。

Zhu M, Bai Y, Gao R, et al. Failure-analysis of carbon nanotubes and their extreme applications. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-023-6001-7.

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