Science：超耐久超长碳纳米管，“太空电梯”的希望

去年上映的电影《星际探索》（Ad Astra），不谈是好片还是烂片，也不谈布拉德•皮特的演技还在不在线，其中有一个场面让小希至今仍印象深刻，不是太空飞船，也不是月球基地，而是一个从地面高耸至外太空的“梯子”——太空电梯。相比于现实世界中化学燃料驱动的运载火箭，太空电梯可以大大增加人类向外太空运载物资和人员的能力。早在1978年出版的英国作家阿瑟•克拉克的科幻小说《天堂的喷泉》中，就描述了将地球表面与同步卫星连接起来的太空电梯。另外，刘慈欣的科幻巨作《三体》中，也有大量的篇幅涉及太空电梯，而且，在文中太空电梯是人类为对抗“三体人”舰队入侵而最先实现的关键航天技术。

图片来源：电影《星际探索》

太空电梯究竟有没有希望实现？虽然科学家和科幻作家提出了多种太空电梯的设计方案，但它们都有一个相同的组成部分——一根固定在地球赤道附近的超长“绳子”（同步卫星距离地面大约3.6万千米），与同步卫星或空间站相连，二者同步旋转，原理有点类似旋转起来的拨浪鼓。但极高的转速和极为复杂的太空环境，对这根“绳子”的材料提出了苛刻的要求——超轻、超强韧、超耐久。目前，碳纳米管（CNT）、氮化硼纳米管以及石墨烯，是建造太空电梯最有希望的候选者。清华大学的魏飞教授曾以“碳纳米管，架起通往太空的天梯”作为演讲主题，讲述碳纳米管的发展历程 ^[1]。

图片来源：CC讲坛 ^[1]

碳纳米管是迄今为止发现的最强韧的材料之一，其宏观强度和韧性均比目前广泛使用的碳纤维和芳纶等材料高出一个数量级以上，为科学家们的“太空电梯”梦带来了希望。材料的抗疲劳性能另外一个非常重要的性能，由于材料在应力水平远低于静态断裂强度的情况下即可产生疲劳行为，抗疲劳性能和疲劳破坏机制的研究对于新材料的耐久性评估非常重要。但由于单根碳纳米管尺寸小，其抗疲劳行为以及疲劳破坏机制难以被测试，成为该领域一直困扰科学家们的重大难题。

CNT纺线。图片来源：Acta Astronaut. ^[2]

近日，清华大学魏飞教授（点击查看介绍）和张如范副教授（点击查看介绍）团队在Science 杂志上发表论文，基于该团队设计搭建的非接触式声学共振测试（non-contact acoustic-resonance-test, ART）系统，首次通过实验测试了厘米级长度单根碳纳米管的抗疲劳性能。他们发现厘米级碳纳米管具有优异的抗疲劳性能且受温度影响，其疲劳断裂时间取决于初始缺陷产生的时间。该ART系统不仅避免了常规基于电镜的测试系统中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。该论文第一作者为清华大学化工系2016级博士生白云祥 ^[3]。

ART测试系统。图片来源：Science

在ART测试系统中，共振振动由数字信号发生器控制的扬声器发出低频声波来激发。TiO₂纳米粒子被沉积到碳纳米管上，一方面使碳纳米管光学可见，一方面还可通过改变纳米粒子线密度来控制碳纳米管共振频率。这样一来，通过改变扬声器的电压和频率，就可以为碳纳米管施加不同应变。与使用常规基于电镜的测试系统不同，ART系统可以有效避免由电子束造成的材料缺陷，而且无需复杂的加持工具，克服了纳米材料的测量困难，可以测试更长的样品。

CNT阵列制备和抗疲劳特性测试。图片来源：Science

ART系统中悬空CNT在室温下的振动。图片来源：Science

研究者先是测试了单根碳纳米管室温下的拉伸应力-应变曲线。结果表明，碳纳米管的拉伸强度为118.9±4.5 GPa，断裂应变为16.41±0.22%，韧性为8.0±0.2 GJ/m³，材料的拉伸属于非线性弹性行为，与广泛报道的碳纳米管弹性一致。随后通过改变扬声器的电压和频率，研究者用ART系统测量了单根碳纳米管在不同应变下的疲劳寿命（即循环数N）。在整个ART测试过程中，碳纳米管以恒定的振幅和频率在平面中振动（上图F及动图），振动状态几乎没有发生任何改变，机械弹性非常好。材料的疲劳极限是在不引起破坏的情况下施加在其上的循环应力/应变的最大幅度。在实际使用过程中，材料承受的应力设计必须保持在疲劳极限以下。疲劳极限测试通常要求10⁷个循环。实验结果表明，在疲劳寿命N = 10⁷的条件下（达到疲劳极限），碳纳米管的归一化疲劳应变极限大于0.90。而且，10⁷个循环（施加的归一化应力为0.95）之后，碳纳米管的残余强度没有显著变化，疲劳比（疲劳强度与拉伸强度之比）大于0.95。

碳纳米管在室温下的力学行为。图片来源：Science

曾有报道称，缺陷（哪怕只出现一个）可使碳纳米管的拉伸强度降低约50%，不过ART测试系统对碳纳米管的观测表明，整个测试过程中不存在可检测的缺陷，这一点拉曼光谱可以证明。于是，研究者利用透射电子显微镜对静态拉伸和循环载荷作用下碳纳米管的断裂碎片进行观察，从碎片缺口可以看出，碳纳米管属于脆性断裂。有趣的是，碳纳米管的寿命几乎与加载的频率无关，这意味着样品缺陷是瞬时形成的，裂纹扩展所需的时间可以忽略不计，或者说，其疲劳失效过程是突然发生的，没有渐进性损伤，不存在损伤累积过程。碳纳米管的疲劳寿命主要取决于初始缺陷的生成时间。不过，碳纳米管的疲劳行为与温度有关。较高的温度会导致碳纳米管抗疲劳能力下降，而在低温下则表现出更高的韧性。

碳纳米管的断裂研究及在不同温度下的疲劳行为。图片来源：Science

这样优秀的材料，得到航空航天领域的青睐只是早晚的事。就在2017年，NASA研制了碳纳米管复合材料压力容器，强度可以提高1.5~2倍，且减重~30%，并搭载火箭完成了首次试飞试验 ^[4]。未来，期待碳纳米管可以在更多领域，大放异彩。

碳纳米管复合材料压力容器照片。图片来源：NASA ^[4]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Super-durable ultralong carbon nanotubes

Yunxiang Bai, Hongjie Yue, Jin Wang, Boyuan Shen, Silei Sun, Shijun Wang, Haidong Wang, Xide Li, Zhiping Xu, Rufan Zhang, Fei Wei

Science, 2020, 369, 1104-1106, DOI: 10.1126/science.aay5220

导师介绍

魏飞

https://www.x-mol.com/university/faculty/21061

张如范

https://www.x-mol.com/university/faculty/60332

参考资料：

[1] 魏飞：碳纳米管，架起通往太空的天梯

https://new.qq.com/omn/20200313/20200313A00BA900.html

[2] Ishikawa Y, Fuchita Y, Hitomi T, et al. Survivability of Carbon Nanotubes in Space. Acta Astronaut., 2019, 165, 129-138. DOI: 10.1016/j.actaastro.2019.07.024

[3] 清华大学新闻网——化工系魏飞、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

https://news.tsinghua.edu.cn/info/1002/81249.htm

[4] Nanotechnology Flight Test: Material Impact on the Future

https://www.nasa.gov/feature/nanotechnology-flight-test-material-impact-on-the-future

（本文由小希供稿）