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在這個(gè)宏觀的世界里，我們都會(huì)時(shí)不時(shí)地感到疲勞。對(duì)于一束束的碳納米管來說也是如此，不管它們各自的組件有多完美。

萊斯大學(xué)(Rice University)的一項(xiàng)研究計(jì)算了應(yīng)變和應(yīng)力如何影響“完美”的納米管和那些組裝成纖維的納米管，同時(shí)發(fā)現(xiàn)盡管纖維在循環(huán)荷載下可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而失效，但納米管本身可能保持完美。管道或其纖維在機(jī)械環(huán)境下能維持多久可以決定其應(yīng)用的實(shí)用性。

研究人員利用最先進(jìn)的模擬技術(shù)，如動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅方法，量化了循環(huán)應(yīng)力對(duì)納米管的影響。他們希望為研究人員和工業(yè)界提供一種方法，來預(yù)測(cè)納米管纖維或其他組件在給定條件下的預(yù)期使用壽命。

研究人員說:“我們小組很久以前就研究了單個(gè)納米管強(qiáng)度或耐力的時(shí)間依賴性，現(xiàn)在我們正在考慮對(duì)納米管及其纖維或組件的循環(huán)加載情況下的影響。最近，一些實(shí)驗(yàn)報(bào)告稱，碳納米管和石墨烯會(huì)因疲勞而發(fā)生災(zāi)難性故障，但不會(huì)出現(xiàn)漸進(jìn)性損傷。這種好奇和驚訝足以重新點(diǎn)燃我們的興趣，并最終引導(dǎo)我們完成這項(xiàng)工作。”

完美的碳納米管被認(rèn)為是自然界中最堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)之一，除非某些劇烈的沖擊利用了它們的脆性，把它們?cè)页伤槠駝t它們往往會(huì)保持原樣。研究人員通過原子尺度的模擬發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境條件下，甚至在彎曲或彎曲的情況下，納米管能夠很好地處理日常壓力。當(dāng)點(diǎn)缺陷(Stone-Wales缺陷)確實(shí)自發(fā)出現(xiàn)時(shí)，對(duì)這些“不知疲倦”的納米管的影響是可以忽略的。

他們發(fā)現(xiàn)，同樣的原理也適用于無缺陷石墨烯。

但是，當(dāng)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的納米管被捆綁成線狀纖維或其他結(jié)構(gòu)時(shí)，將平行的納米管捆綁在一起的范德華力并不能阻止它們的滑移。今年早些時(shí)候，研究人員已經(jīng)證明了納米管之間的摩擦是如何導(dǎo)致納米管之間更強(qiáng)的界面，并對(duì)其難以置信的強(qiáng)度負(fù)責(zé)。利用這個(gè)模型，他們現(xiàn)在測(cè)試了在循環(huán)載荷下疲勞是如何產(chǎn)生的，以及疲勞是如何最終導(dǎo)致失效的。

萊斯大學(xué)的研究人員確定了納米管發(fā)生塑性破壞的幾種方式，要么是在6%應(yīng)變下的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(上)，要么是在14%應(yīng)變下的剪切帶形成(下)。這兩種機(jī)制，在動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅模擬中都可以看到，只有在極端條件下才會(huì)激活，所以它們都不是導(dǎo)致納米管疲勞的重要因素。

每當(dāng)納米管纖維被拉伸或拉伸時(shí)，一旦拉力被釋放，它基本上就會(huì)恢復(fù)原來的形態(tài)。“大部分”是關(guān)鍵；殘余滑移量很小，且隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加。這就是塑性:具有不可逆轉(zhuǎn)的不完全恢復(fù)的變形。

研究人員解釋說:“納米管纖維的循環(huán)加載會(huì)導(dǎo)致相鄰的納米管要么滑走，要么相互靠近，這取決于它們處于循環(huán)的哪個(gè)部分。這種滑移是不相等的，導(dǎo)致每個(gè)周期的總應(yīng)變積累。這被稱為應(yīng)變棘輪，因?yàn)榭倯?yīng)變總是朝一個(gè)方向增加，就像棘輪朝一個(gè)方向移動(dòng)一樣。”

研究人員指出，最先進(jìn)的纖維應(yīng)該能夠克服失敗的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)不可避免的滑移。

研究人員說:“正如我們所知，一些最好的納米管纖維生產(chǎn)策略可以導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度高于10吉帕(GPa)，這對(duì)于它們?cè)谌粘Ｉ钪械膽?yīng)用來說是難以置信的。我們還發(fā)現(xiàn)，從我們的測(cè)試中，他們的耐力極限可以是30%-50%，這意味著至少在3 GPa的纖維可能有實(shí)際上的無限壽命。這對(duì)于它們作為低密度結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用是很有前景的。”