在宏观世界中，我们都时不时感到疲劳。对于碳纳米管束，无论它们的单个组件多么完美，都是一样的。莱斯大学的一项研究计算了应变和应力如何影响“完美”纳米管和组装成纤维的纳米管，并发现虽然纤维在循环载荷下会随着时间的推移而失效，但管子本身可能保持完美。管子或其纤维维持其机械环境的时间可以决定其应用的实用性。
这使得发表在《科学进展》上的这项研究对赖斯材料理论家鲍里斯·雅科布森、研究生 Nitant Gupta 和赖斯乔治 R.布朗工程学院的助理研究教授 Evgeni Penev 很重要。他们使用最先进的模拟技术(如动力学蒙特卡罗方法)量化了循环应力对纳米管的影响。他们希望为研究人员和工业界提供一种方法来预测纳米管纤维或其他组件在给定条件下可以持续多长时间。
“我们小组很久以前就研究了单个纳米管强度或耐力的时间依赖性，现在我们正在考虑它对管及其纤维或一般组件的循环加载的影响，”佩内夫说。“最近，一些实验报告说，碳纳米管和石墨烯会因疲劳而发生灾难性的失效，而没有进行渐进式损坏。这非常奇怪和令人惊讶，足以重新点燃人们的兴趣，并最终促使我们完成了这项工作。”
模拟显示了 10 次循环后轴向应力对碳纳米管束的影响。莱斯大学的研究人员计算了循环应变和应力如何影响纳米管，并描述了纤维在循环载荷下如何随着时间的推移而失效。信用：尼坦古普塔
完美的碳纳米管，被认为是自然界中最坚固的结构之一，往往会保持这种状态，除非一些剧烈的撞击利用它们的脆性将它们裂成碎片。研究人员通过原子级模拟发现，在环境条件下，甚至在弯曲或屈曲时，纳米管都能很好地处理常规应力。当点缺陷(又名 Stone-Wales 缺陷)自发出现时，对这些“永不疲倦”的纳米管的影响可以忽略不计。
他们发现同样的原则也适用于无瑕疵的石墨烯。
但是，当数以百万计的纳米管被捆绑成线状纤维或其他结构时，将平行纳米管相互结合的范德华力并不能防止滑动。今年早些时候，研究人员已经证明了管之间的摩擦如何导致纳米管之间的界面更强，并且是它们令人难以置信的强度的原因。使用这个模型，他们现在测试了在循环载荷下疲劳是如何产生的，以及它如何最终导致失效。
每次纳米管纤维被拉伸或拉紧时，一旦释放张力，它大部分将恢复其原始形式。“大部分”是关键;残留的一点点滑移仍然存在，并且会随着每个周期的增加而增加。这就是可塑性：具有不可逆不完全恢复的变形。
Gupta 解释说：“纳米管纤维的循环加载会导致相邻的管子滑开或滑向彼此，这取决于它们处于循环的哪个部分。” “这种滑动不相等，导致每个循环的整体应变累积。这称为应变棘轮，因为整体应变总是在一个方向上增加，就像棘轮在单个方向上移动一样。”
研究人员指出，最先进的纤维应该能够通过延长不可避免的滑动时间来克服失败的风险。
“正如我们所知，一些最好的纳米管纤维生产策略可以导致拉伸强度高于 10 吉帕(GPa)，这对于它们在日常生活中的应用来说是不可思议的，”古普塔说。“我们还从我们的测试中发现，它们的耐久极限可以是 30%-50%，这意味着至少高达 3 GPa 的纤维可能具有几乎无限的寿命。这对于它们作为低密度结构材料的使用很有希望。”
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