近日，清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授联合团队，在碳纳米管的耐疲劳性能研究上取得重大突破，该团队在国际上首次以实验形式，测试出厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。

材料的疲劳寿命测试是一个非常重要的课题，要想使材料长期服役，就得知道它的疲劳寿命有多久。而材料的疲劳寿命，是决定服役时间的关键指标。比如，飞机使用的金属材料，如果超出使用年限，可能就会引发空难。

碳纳米管这一纳米材料，发现于 20 世纪 90 年代，是由碳纳米管以六元环形式组成的一维管状结构纳米材料，也是目前人类已知的力学性能最好的材料，它的强度和韧性都非常好，其强度大于 100GPa，杨氏模量大于 1TPa。

碳纳米管的密度只有钢铁的六分之一，因此它的质量非常轻，但是碳纳米管单位质量上的拉伸强度，却是钢铁的四百多倍， 远超过目前人类已知的任何其他材料。由于重量轻、韧性强，因此碳纳米管在制备强度远超碳纤维的下一代超强纤维方面具有巨大的优势，在制备飞机骨架、导弹、火箭以及航天器等尖端领域具有广阔的应用前景。

发展一套有效的测试技术，探究单根碳纳米管的疲劳行为和潜在的破坏机制，对于碳纳米管的长期可靠应用具有极为重要的意义。为解决这个问题，清华大学魏飞教授和张如范副教授团队搭建了一个专用测量系统——非接触式声学共振测试系统（Acoustic Resonance Test system，ART 系统）。

据张如范介绍，ART 系统的具体工作原理，是在一个悬空的、单根的碳纳米管上负载一些二氧化钛纳米颗粒，利用这些颗粒对可见光的散射效应，从而可以在光学显微镜下，清晰地看到所制备的超长碳纳米管。该 ART 系统巧妙解决了单根碳纳米管电镜中难以避免电子辐照损失、光学显微镜下难以观测、普通测试装备难以加持、难以施加长周期力学测试等各种技术难题，以一种便捷有效的方式，测量出单根碳纳米管长时间循环下的疲劳寿命这一关键性能数据。

这是该研究团队首次以实验形式，完成碳纳米管疲劳寿命的测试。研究结果显示，碳纳米管展现出惊人的超长耐疲劳寿命，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，其抗拉强度依然能保持初始强度的 90% 以上。


自碳纳米管被发现以来，如何提高其长度一直是未能攻克的世界难题。在 2010 年清华大学制备出 20 厘米的碳纳米管后，国际上再也没有新的突破。2013 年，还是清华大学化工系一名博士生的张如范结合材料制备和化工技术学科的交叉优势，对碳纳米管的制备方法进行大胆创新，将碳纳米管的催化剂活性概率大幅提升，在世界上首次制备出单根长度达到半米以上的碳纳米管，创造出新的世界纪录。无论是碳纳米管超强纤维、碳纳米管超级电缆还是碳纳米管芯片，其承载的都是人类对高科技的美好愿景。