碳纳米管（CNT）以其独特的力学、电学和热学性能，在众多领域展现出广泛的应用潜力。然而，CNT材料在极端温度变化下的热冲击（thermal shock）和热冲击疲劳（thermal-shock fatigue）性能，是限制其在航空航天等高温应用场景中的一个关键因素。传统的热冲击测试方法存在诸多限制，如加热速率不够高、温度场不均匀等，难以满足对CNT材料在极端条件下性能评估的需求。因此，开发一种能够模拟实际应用中快速温度变化的测试平台，对CNT材料的热冲击和热冲击疲劳行为进行深入研究，具有重要的科学意义和应用价值。
文 章 简 介
2024年，中国科学技术大学张忠教授团队在国际知名期刊《Nano Research》上发表题为“Carbon nanotube films with ultrahigh thermal-shock and thermal-shock-fatigue resistance characterized by ultra-fast ascending shock testing”的文章。本研究中，作者开发了一种先进的多尺度、高速升温热冲击测试平台（MUFAST），能够以超过10^5 °C/s的速率施加前所未有的热冲击。通过精心设计的实验，对碳纳米管薄膜（CNT films）的热冲击响应进行了细致的考察，并取得了显著的研究成果。研究团队采用创新的宏观尺度同步紧固和放松（macro-STR）策略，显著提高了CNT薄膜的结构均匀性，实现了超过2500 °C的关键温差，这一指标超越了之前所有高性能热冲击抵抗材料的记录。此外，这些样品在超过1000 °C的温度下经过10000次热冲击循环后，仍能保持几乎不变的强度，显示出异常的韧性。研究还揭示了一种与传统热应力理论截然不同的新型热冲击/疲劳失效机制。
图 文 导 读
图1 MUFAST 平台和热冲击过程。
图1展示了MUFAST平台及其热冲击过程。(a)和(b)为MUFAST平台的示意图；(c)为SA-CNTFs表面的SEM图像和CNT单元的TEM图像；(d)展示了在超快热冲击（UFTS）前后SA-CNTFs的典型图像；(e)显示了SA-CNTF加热器在UFTS期间中心与边缘之间的温差；(f)为循环加载测试期间的典型时温曲线。
图 2 CNT薄膜的热冲击抵抗行为。
图2详细展示了CNT薄膜的热冲击抵抗行为。(a)和(b)分别为SA-CNTFs和R-CNT薄膜的SEM图像；(c)和(d)为沿CNT薄膜轴向平行和垂直方向的极化拉曼光谱G峰强度比；(e)展示了在不同UFTS温度下SA-CNTF和R-CNT薄膜的剩余强度和强度损失比；(f)和(g)为CNT薄膜与其他报道的高性能热冲击抵抗材料相比的剩余强度比和特定剩余强度随温差的变化。
图 3 R-CNT薄膜的热冲击性能和特征。
图3探究了R-CNT薄膜的热冲击性能和特征。(a)展示了在不同温度下不同加热率的剩余强度；(b)为UFTS后G带的拉曼上移；(c)为在不同UFTS温度下CNT薄膜的极化拉曼光谱G峰强度比；(d)至(k)为在不同温度下测试的样品的断裂表面SEM和TEM图像。
图4 CNT薄膜的热冲击失效机制。
图4为CNT薄膜的失效机制。(a)展示了CNT薄膜中CNT的拔出和断裂；(b)为CNT薄膜剩余强度的解析拟合及相应的热冲击失效机制图。
图5 R-CNT薄膜的热冲击疲劳行为。
图5展示了R-CNT薄膜的热冲击疲劳行为。(a)展示了在1200、1600、1900和2200 °C温度下不同加载周期的剩余强度；(b)为2200 °C下静态热疲劳与热冲击疲劳的剩余强度比较；(c)为R-CNT薄膜与其他高性能陶瓷材料相比的热冲击疲劳性能比较。
总 结 展 望
本研究通过开发MUFAST平台，实现了对CNT薄膜热冲击特性的全面评估。该平台具有超过10^5 °C/s的最大加热速率，并具有高温度差、超快冷却、成本效益、低能耗、精确的温度调节和实时温度监测等优点。通过简单的宏观尺度同步紧固和放松策略，实现了CNT薄膜超过2500 °C的关键温差，这一成果超越了之前所有报道的高性能热冲击保护材料的记录。此外，R-CNT薄膜在超过1000 °C的温度下经过10000次热冲击循环后，仍能保持几乎不变的强度，显示出卓越的热冲击疲劳抵抗能力。本研究不仅为进行超快热冲击和疲劳测试的先进高温保护材料提供了有效方法，而且加深了对CNT组装体的失效抵抗特性及热冲击保护原理的理解，为相关领域的材料设计和应用提供了重要的理论和实验依据。
文 章 链 接
