碳納米管是人類發現的強度和韌性最好的材料之一，單位質量上的拉伸強度是鋼鐵的276倍。

然而，如何測量這種小尺寸材料的耐久性，長期以來是個難題。

8月28日，根據世界頂尖學術期刊《科學》上發表的一篇論文，清華大學化工系教授魏飛團隊成功用一種新型的聲學共振方法對厘米級碳納米管的耐久程度進行了測量，結果顯示，單根碳納米管可以被連續拉伸上億次而不發生斷裂，并在去掉載荷后依然保持初始的超高抗拉強度，

論文題為《超耐久性的超長碳納米管》（Super-durable ultralong carbon nanotubes），揭示了超長碳納米管用于制造超強超耐疲勞纖維的光明前景。

“目前我們測量到的碳納米管的耐疲勞性，從兩個方面看都是所有材料中最好的。”魏飛對澎湃新聞記者表示，“一是從純的力學拉伸耐疲勞性上看，可以承受的耐疲勞強度是最高的；同時耐疲勞性中有個最大強度與耐疲勞強度之比，我們測量到的也是所有材料中最高的，達到95%，再往上測量是由于這類測量方法的誤差，測量不出來了。”

超長碳納米管

所謂碳納米管，是一種1991年被發現的新型低維維材料，由呈六邊形排列的碳原子構成的單層或者多層圓管。

其優異的力學性能在人造肌肉、飛機機身、懸索橋、體育用具、電纜等領域有大量需求。一些觀點認為，如果要實現著名的“太空電梯”構想，即建立從地球到空間的升降艙，那繩纜所用材料只能是碳納米管。

然而，當單根力學性能優異的碳納米管制備成宏觀材料時，其理論值往往無法兌現。這是因為，形成纖維的碳納米管單元體之間在拉力作用下極易發生相互滑移，管內的結構缺陷和雜亂取向等也都會導致纖維強度下降。

相比之下，厘米甚至分米長度的超長碳納米管具有完美結構、一致取向和接近理論極限的力學性能，在制備超強纖維方面具有巨大的優勢。

2013年，魏飛團隊曾制備出半米長的碳納米管，并實現99.9999%半導體性高純度。

2018年，魏飛團隊在世界上首次報道了強度高達80 GPa、接近單根碳納米管理論強度的超長碳納米管管束，其拉伸強度超越了所有其它纖維材料。

聲學共振測試系統

不過，強度再高的材料也會疲勞。在交變應力下，當材料缺陷導致應力集中，即使壓力值低于靜態壓力下的斷裂強度，臨界長度裂紋也會形成。

為此，魏飛團隊開發了一種非接觸式聲學共振測試系統，設計納米探針系統來分析單個厘米級碳納米管的力學行為。具體來說，他們在碳納米管上放置TiO2（二氧化鈦）納米顆粒，再通過數字信號控制的揚聲器來發射低頻聲波，激發共振。改變這些顆粒的線性密度，就可以控制共振頻率。

相比于納米材料測試系統通常使用的電子顯微鏡，研究團隊認為，這種新方法可以避免電子束破壞材料，且克服了對納米材料進行樣本夾持、高周次循環載荷施加的困難。

結果顯示，碳納米管展現出驚人的超耐疲勞特性。在大應變循環拉伸測試條件下，單根碳納米管可以被連續拉伸上億次而不發生斷裂，并在去掉載荷后依然保持初始的超高抗拉強度，耐疲勞性優于目前所有工程纖維材料。

研究團隊同時對其進行了理論分析，得出超長碳納米管與一般傳統材料的疲勞損傷累積機制不同，其疲勞破壞呈現出整體破壞性，不存在損傷累積過程，一旦缺陷出現，隨后的裂紋擴展是瞬時發生的。可以說，碳納米管的壽命幾乎完全由首個化學鍵斷裂產生所需的時間決定。

此外，碳納米管耐疲勞性受到溫度影響，隨著溫度升高而下降，這與此前的理論預期一致。