Właściwości mechaniczne nanorurek węglowych

Właściwości mechaniczne nanorurek węglowych ujawniają, że są one jednymi z najsilniejszych materiałów w przyrodzie. Nanorurki węglowe (CNT) to długie wydrążone cylindry grafenu . Chociaż arkusze grafenu mają symetrię 2D, nanorurki węglowe ze względu na geometrię mają różne właściwości w kierunku osiowym i promieniowym. Wykazano, że CNT są bardzo silne w kierunku osiowym. Uzyskano moduł Younga rzędu 270 - 950 GPa i wytrzymałość na rozciąganie 11 - 63 GPa .

Wytrzymałość

Nanorurki węglowe są najsilniejszymi i najsztywniejszymi materiałami, jakie dotąd odkryto pod względem odpowiednio wytrzymałości na rozciąganie i modułu sprężystości . Siła ta wynika z kowalencyjnych wiązań sp ² utworzonych pomiędzy poszczególnymi atomami węgla. W 2000 roku wielościenna nanorurka węglowa została przetestowana pod kątem wytrzymałości na rozciąganie 63 gigapaskali (9 100 000 psi). (Dla ilustracji, przekłada się to na zdolność do wytrzymania naprężenia o masie równoważnej 6422 kilogramom (62980 N; 14160 funtów siły) na kablu o przekroju 1 milimetra kwadratowego (0,0016 cala kwadratowego).) Dalsze badania, takie jak jako jedna przeprowadzona w 2008 roku ujawniła, że pojedyncze powłoki CNT mają siłę do ≈100 gigapaskali (15 000 000 psi), co jest zgodne z modelami kwantowo-atomistycznymi. Ponieważ nanorurki węglowe mają niską gęstość dla ciała stałego od 1,3 do 1,4 g/cm3 ³ , jej wytrzymałość właściwa wynosząca do 48 000 kN·m·kg ^-1 jest najlepszym ze znanych materiałów, w porównaniu do stali wysokowęglowej o wartości 154 kN·m·kg ^-1 .

Pod wpływem nadmiernego naprężenia rozciągającego rury ulegną odkształceniu plastycznemu , co oznacza, że odkształcenie jest trwałe. To odkształcenie rozpoczyna się przy odkształceniach około 5% i może zwiększyć maksymalne odkształcenie, jakim poddawane są rury przed pęknięciem, poprzez uwolnienie energii odkształcenia. ^{[ potrzebne źródło ]}

Chociaż wytrzymałość poszczególnych powłok CNT jest niezwykle wysoka, słabe oddziaływania ścinające między sąsiednimi powłokami i rurami prowadzą do znacznego zmniejszenia efektywnej wytrzymałości wielościennych nanorurek węglowych i wiązek nanorurek węglowych do zaledwie kilku GPa. Ograniczenie to zostało ostatnio rozwiązane poprzez zastosowanie wysokoenergetycznego napromieniowania elektronami, które sieciuje wewnętrzne powłoki i rurki oraz skutecznie zwiększa wytrzymałość tych materiałów do ≈60 GPa dla wielościennych nanorurek węglowych i ≈17 GPa dla dwuściennych wiązek nanorurek węglowych .

CNT nie są tak silne podczas kompresji. Ze względu na ich wydrążoną strukturę i wysoki współczynnik kształtu, mają tendencję do wyboczenia , gdy są poddawane naprężeniom ściskającym , skręcającym lub zginającym.

Porównanie właściwości mechanicznych
Materiał	Moduł Younga (TPa)	Wytrzymałość na rozciąganie (GPa)	Wydłużenie przy zerwaniu (%)
Jednościenne nanorurki węglowe (SWNT) ^E	≈1 (od 1 do 5)	13–53	16
Fotel SWNT ^T	0,94	126,2	23.1
Zygzak SWNT ^T	0,94	94,5	15,6–17,5
Chiralny SWNT	0,92
MWNT ^E	0,2–0,8–0,95	11–63–150
Stal ^nierdzewnaE	0,186–0,214	0,38–1,55	15–50
Kevlar –29& ^149E	0,06–0,18	3,6–3,8	≈2

^E Obserwacja eksperymentalna; ^T Przewidywanie teoretyczne

Elastyczność promieniowa

Z drugiej strony istnieją dowody na to, że w kierunku promieniowym są one raczej miękkie. Pierwsza obserwacja promieniowej sprężystości za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego sugerowała, że nawet siły van der Waalsa mogą zdeformować dwie sąsiednie nanorurki. Później kilka grup przeprowadziło nanoindentacje za pomocą mikroskopu sił atomowych , aby ilościowo zmierzyć elastyczność promieniową wielościennych nanorurek węglowych, a mikroskopię sił atomowych w trybie stukania / kontaktu przeprowadzono również na jednościennych nanorurkach węglowych. Moduł Younga rzędu kilku GPa pokazał, że CNT są w rzeczywistości bardzo miękkie w kierunku promieniowym. Kompletny diagram fazowy przedstawiający przejście do promieniowo zapadniętej geometrii w funkcji średnicy, ciśnienia i liczby ścianek rurek został utworzony na podstawie półempirycznych podstaw.

Elastyczność CNT w kierunku promieniowym jest istotna zwłaszcza w przypadku kompozytów z nanorurkami węglowymi, w których osadzone rurki poddawane są dużym odkształceniom w kierunku poprzecznym pod obciążeniem struktury kompozytu.

Jednym z głównych problemów przy charakteryzowaniu promieniowej sprężystości CNT jest znajomość wewnętrznego promienia CNT; nanorurki węglowe o identycznej średnicy zewnętrznej mogą mieć różną średnicę wewnętrzną (lub liczbę ścianek). W 2008 roku wprowadzono metodę wykorzystującą mikroskop sił atomowych w celu określenia dokładnej liczby warstw, a tym samym wewnętrznej średnicy CNT. W ten sposób charakterystyka mechaniczna jest dokładniejsza.

Twardość

Standardowe jednościenne nanorurki węglowe mogą wytrzymać ciśnienie do 25 GPa bez [plastycznej/trwałej] deformacji. Następnie przechodzą transformację w nanorurki fazy supertwardej. Maksymalne ciśnienia mierzone przy użyciu obecnych technik eksperymentalnych wynoszą około 55 GPa. Jednak te nowe supertwarde nanorurki zapadają się przy jeszcze wyższym, choć nieznanym, ciśnieniu. ^{[ potrzebne źródło ]}

Moduł objętościowy nanorurek fazy supertwardej wynosi od 462 do 546 GPa, nawet więcej niż diamentu (420 GPa dla pojedynczego kryształu diamentu).

Zwilżalność

Zwilżalność powierzchni CNT ma znaczenie dla jego zastosowań w różnych ustawieniach. Chociaż wewnętrzny kąt zwilżania grafitu wynosi około 90 °, kąty zwilżania większości zsyntetyzowanych macierzy CNT przekraczają 160 °, wykazując właściwości superhydrofobowe. Przyłożenie napięcia tak niskiego jak 1,3 V powoduje, że ekstremalnie hydrofobowa powierzchnia może zostać zmieniona na superhydrofilową. ^{[ potrzebne źródło ]}

Właściwości kinetyczne

Wielościenne nanorurki to wiele koncentrycznych nanorurek precyzyjnie zagnieżdżonych w sobie. Wykazują one uderzającą właściwość teleskopową, dzięki której wewnętrzny rdzeń nanorurki może ślizgać się, prawie bez tarcia, w zewnętrznej powłoce nanorurki, tworząc w ten sposób atomowo doskonałe łożysko liniowe lub obrotowe. Jest to jeden z pierwszych prawdziwych przykładów nanotechnologii molekularnej , precyzyjnego pozycjonowania atomów w celu stworzenia użytecznych maszyn. Ta właściwość została już wykorzystana do stworzenia najmniejszego na świecie silnika obrotowego . Przewiduje się również przyszłe zastosowania, takie jak oscylator mechaniczny gigahercowy.

Wady

Jak w przypadku każdego materiału, istnienie defektu krystalograficznego wpływa na właściwości materiału. Defekty mogą występować w postaci wakatów atomowych . Wysoki poziom takich defektów może obniżyć wytrzymałość na rozciąganie nawet o 85%. Ważnym przykładem jest defekt Stone Wales , znany również jako defekt 5-7-7-5, ponieważ tworzy parę pięciokątów i siedmiokątów poprzez przegrupowanie wiązań. Ze względu na bardzo małą strukturę CNT, wytrzymałość rurki na rozciąganie zależy od jej najsłabszego segmentu, podobnie jak w przypadku łańcucha, gdzie wytrzymałość najsłabszego ogniwa staje się maksymalną wytrzymałością łańcucha.

Odkształcenia plastyczne

Typowy materiał 3D ulega odkształceniu plastycznemu , co oznacza, że odkształcenie jest trwałe, poprzez ruch dyslokacji 1D w materiale. Podczas tego procesu te dyslokacje mogą wchodzić w interakcje ze sobą i rozmnażać się. Ponieważ CNT same są materiałami 1D, dobrze znane mechanizmy generowania i mnożenia (takie jak źródło Frank-Read ) dla dyslokacji 1D nie mają zastosowania.

Zamiast tego CNT ulegają odkształceniu plastycznemu poprzez tworzenie i przemieszczanie defektów, głównie defektów topologicznych, takich jak defekt Stone Wales lub defekt 5-7-7-5. Defekt 5-7-7-5 można również traktować jako parę defektów 5-7, w których każdy defekt sąsiaduje z jednym 5-członowym i dwoma 7-członowymi pierścieniami. Ta struktura defektu jest metastabilna , więc zarodkowanie lub uformowanie wymaga energii kilku eV. Ponadto defekt przemieszcza się poprzez oddzielną migrację 5-7 par defektów. Ten ruch jest również związany z barierą energetyczną. Dokładna energia zależy od konfiguracji i chiralności konkretnego CNT. Energię aktywacji do tworzenia tych defektów w CNT o średnicy ${\ Displaystyle E = 10,0-0,58 / D-17,5 \ epsilon -27 \ epsilon \ sin (2 \ chi + 46 ^ {\ circ})}$ $chiralnym$ można $oszacować$ jako eV, gdzie ${\ displaystyle \ epsilon}$ to napięcie zewnętrzne. Ta aktywacyjna bariera energetyczna częściowo wyjaśnia niską plastyczność CNT (~ 6-15%) w temperaturze pokojowej. Można go jednak pokonać w wysokich temperaturach lub stosując odpowiednie naprężenia. Na przykład defekt jest zarodkowany w pozycjach doświadczających dużego naprężenia rozciągającego w CNT typu fotelowego oraz w pozycjach doświadczających dużego naprężenia ściskającego w CNT typu zigag.

Zastosowane naprężenia mogą pokonać barierę energetyczną potrzebną do przeniesienia 5-7 par defektów. Innym sposobem zrozumienia tego jest to, że po naprężeniu CNT uwalnia naprężenie, tworząc spontanicznie te defekty. Na przykład w rurach (5,5) krytyczne odkształcenie rozciągające ~ 5% powoduje powstawanie defektów. Struktura defektu zmniejsza naprężenia, ponieważ geometria siedmiokątna jest w stanie rozciągnąć się bardziej niż oryginalne sześciokątne pierścienie, podczas gdy wiązanie CC pozostaje mniej więcej tej samej długości. Wygięcie rur poza krytyczną krzywiznę ma ten sam efekt. To zachowanie można przybliżyć za pomocą prostej, półilościowej analizy. Stosowanie stresu ${\ displaystyle \ sigma}$ ${0} ^ {L} \ sigma (L) dL = \ lambda b \ rho D ^ {2}}$ rurze o długości $i$ średnicy działa w przybliżeniu równe $b$ na rurze, gdzie ${\ displaystyle b}$ to wektory Burgersa dla wady, to zgięcie ${\ displaystyle \ rho}$ krzywizna i ${\ Displaystyle \ lambda}$ wiąże moduł Younga CNT z modułem grafenu. Wzrost energii wynikający z powstania defektu i rozdzielenia 5-7 par jest w przybliżeniu określony przez $\ Displaystyle E (L) = 2E_ {core}+A\lambda b^{2}g(D)}$ . Tutaj mi do $Displaystyle E_ {rdzeń}}$ $gdzie jest$ dyslokacji i energię interakcji między parami defektów Ruch defektu występuje, gdy praca wykonana przez przyłożone naprężenie pokonuje go, tak że wymagana krzywizna zginania jest odwrotnie proporcjonalna do średnicy CNT ${\ Displaystyle \ rho _ {wydajność} \ około {\ Frac {2E_ {core} / \ lambda b + Abg (D)} {D ^ {2}}}}$ . Podobnie wibracje termiczne mogą zapewnić energię potrzebną do zarodkowania defektów i ruchu. W rzeczywistości do wywołania obserwowalnego odkształcenia plastycznego w CNT wymagane jest połączenie naprężenia i wysokiej temperatury. W literaturze osiągnięto to poprzez zastosowanie prądu, który powoduje nagrzewanie rezystancyjne w materiale. W przypadku CNT poddanych działaniu temperatur powyżej 1500 K odnotowano wydłużenie do 280%. Ten rodzaj zachowania nazywa się superplastycznością . W tak wysokich temperaturach załamania mogą się tworzyć i przemieszczać zarówno podczas wznoszenia, jak i ślizgu. O wspinaniu się na załamania świadczy fakt, że w CNT nie zawsze poruszają się one po ciasno upakowanych płaszczyznach, ale raczej wzdłuż długości rury. Kiedy załamania ślizgają się wzdłuż ciasno upakowanych płaszczyzn w CNT, podążają po spiralnej ścieżce. Proponuje się, aby podwyższone temperatury umożliwiały dyfuzję wolnych miejsc, dzięki czemu defekty przechodzą przez proces podobny do tego obserwowanego w trójwymiarowych materiałach krystalicznych.