作者:莱斯大学迈克·威廉姆斯
莱斯大学的研究人员发现，纳米管纤维的循环加载会导致应变棘轮效应，最终导致纤维失效
信用:尼塔特·古普塔和叶夫根尼·佩涅夫/雅科布森研究小组 在宏观世界里，我们时不时都会感到疲劳
碳纳米管束也是如此，不管它们的单个组件有多完美
莱斯大学的一项研究计算了应变和应力如何影响“完美”的纳米管和组装成纤维的纳米管，发现虽然纤维在循环载荷下会随着时间的推移而失效，但管本身可能会保持完美
管或其纤维维持其机械环境的时间长短可以决定其应用的实用性
这使得这项发表在科学进展的研究对赖斯材料理论家鲍里斯·雅科布森、研究生妮塔·古普塔和赖斯乔治研究中心的助理研究教授叶夫根尼·佩内夫来说非常重要
布朗工程学院
他们使用最先进的模拟技术，如动态蒙特卡罗方法，量化了循环应力对纳米管的影响
他们希望给研究人员和工业提供一种方法来预测在给定条件下纳米管纤维或其他组件可以持续多长时间
佩内夫说:“我们小组很久以前就研究了单个纳米管强度或耐久性的时间依赖性，现在我们正在考虑它在管及其纤维或一般组件的循环加载情况下的影响。”
“最近，几项实验报告称，碳纳米管和石墨烯在没有渐进损伤的情况下，会因疲劳而发生灾难性的失效
这是好奇和惊讶足以重燃兴趣，并最终导致我们完成这项工作
" 模拟显示了10次循环中轴向应力对碳纳米管束的影响
赖斯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:妮塔特·古普塔 完美的碳纳米管被认为是自然界中最强的结构之一，除非某些剧烈的冲击利用了它们的脆性，将它们裂成碎片，否则它们往往会保持这种状态
研究人员通过原子尺度的模拟发现，在环境条件下，甚至在弯曲或屈曲时，纳米管也能很好地应对日常压力
当点缺陷(又名斯通-威尔士缺陷)确实自发出现时，对这些“不知疲倦”的纳米管的影响可以忽略不计
他们发现同样的原理也适用于没有瑕疵的石墨烯
但是，当数以百万计的纳米管被捆绑成线状纤维或其他构型时，将平行纳米管相互结合的范德瓦尔斯力并不能阻止滑移
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更强的界面，并对它们难以置信的强度负责
使用这个模型，他们现在测试了疲劳如何在循环载荷下产生，以及这如何最终导致失败
莱斯大学的研究人员确定了纳米管经历塑性破坏的几种方式，或者通过6%应变下的位错运动(顶部)，或者通过14%应变下的剪切带形成(底部)
在动力学蒙特卡罗模拟中看到的这两种机制仅在极端条件下激活，因此两者似乎都不是纳米管疲劳的重要因素
信用:尼坦·古普塔/雅科布森研究小组 每当纳米管纤维被拉伸或拉紧时，一旦张力被释放，它将大部分恢复其原始形态
“大多”是关键；一点点残余滑动仍然存在，并且随着每个周期的增加而增加
这就是塑性:不可逆的不完全恢复的变形
古普塔解释说:“纳米管纤维的循环加载会导致相邻的管要么相互远离，要么相互靠近，这取决于它们处于循环的哪一部分。”
“这种滑移不相等，导致每个周期的总应变累积
这被称为应变棘轮效应，因为总应变总是在一个方向上增加，就像棘轮在一个方向上移动一样
" 研究人员指出，最先进的纤维应该能够克服不可避免的滑动带来的失败风险
古普塔说:“众所周知，一些最好的纳米管纤维生产策略可以产生高于10吉帕斯卡(GPa)的拉伸强度，这对于它们在日常生活中的应用来说是不可思议的。”
“我们还从测试中发现，它们的耐久性极限可以是30%-50%，这意味着至少高达3 GPa的纤维实际上可能具有无限的寿命
这有望成为低密度结构材料
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