Механические свойства углеродных нанотрубок - Mechanical properties of carbon nanotubes

Эти механические свойства углеродных нанотрубок раскрыть их как один из самых прочных материалов в природе. Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой длинные полые цилиндры из графена . Хотя листы графена обладают 2D-симметрией, углеродные нанотрубки по геометрии имеют разные свойства в осевом и радиальном направлениях. Было показано, что УНТ очень прочные в осевом направлении. Получены модуль Юнга порядка 270 - 950 ГПа и предел прочности при растяжении 11 - 63 ГПа .

Сила

Углеродные нанотрубки - самые прочные и жесткие материалы, которые когда-либо были обнаружены, с точки зрения прочности на разрыв и модуля упругости соответственно. Эта прочность является результатом ковалентных связей sp ^2, образованных между отдельными атомами углерода. В 2000 году многослойная углеродная нанотрубка была испытана на прочность на разрыв 63 гигапаскалей (9 100 000 фунтов на квадратный дюйм). (Для иллюстрации, это означает способность выдерживать натяжение веса, эквивалентного 6 422 килограммам-силе (62 980 Н; 14 160 фунтов силы) на кабеле с поперечным сечением 1 квадратный миллиметр (0,0016 кв. Дюйма)). Дальнейшие исследования, такие как одно исследование, проведенное в 2008 году, показало, что отдельные оболочки УНТ имеют прочность до ≈100 гигапаскалей (15 000 000 фунтов на квадратный дюйм), что согласуется с квантово-атомистическими моделями. Поскольку углеродные нанотрубки имеют низкую плотность твердого тела от 1,3 до 1,4 г / см ³ , их удельная прочность до 48 000 кН · м · кг ^-1 является лучшим из известных материалов по сравнению с высокоуглеродистой сталью, имеющей 154 кН · м. · Кг ⁻¹ .

При чрезмерной деформации растяжения трубы будут подвергаться пластической деформации , что означает, что деформация необратима. Эта деформация начинается при деформации примерно 5% и может увеличить максимальную деформацию, которой подвергаются трубы перед разрушением, за счет высвобождения энергии деформации.

Хотя прочность отдельных оболочек УНТ чрезвычайно высока, слабые сдвиговые взаимодействия между соседними оболочками и трубками приводят к значительному снижению эффективной прочности многослойных углеродных нанотрубок и пучков углеродных нанотрубок до нескольких ГПа. Это ограничение недавно было устранено путем применения облучения электронами высокой энергии, которое сшивает внутренние оболочки и трубки и эффективно увеличивает прочность этих материалов до ≈60 ГПа для многослойных углеродных нанотрубок и ≈17 ГПа для пучков углеродных нанотрубок с двойными стенками. .

УНТ не так прочны при сжатии. Из-за своей полой структуры и высокого удлинения они имеют тенденцию к короблению при воздействии сжимающего , скручивающего или изгибающего напряжения.

Сравнение механических свойств
Материал	Модуль Юнга (ТПа)	Прочность на разрыв (ГПа)	Относительное удлинение при разрыве (%)
Одностенные углеродные нанотрубки (ОСНТ) ^E	≈1 (от 1 до 5)	13–53	16
Кресло SWNT ^T	0,94	126,2	23,1
Зигзаг SWNT ^T	0,94	94,5	15,6–17,5
Хиральный SWNT	0,92
MWNT ^E	0,2–0,8–0,95	11–63–150
Нержавеющая сталь ^E	0,186–0,214	0,38–1,55	15–50
Кевлар –29 и 149 ^E	0,06–0,18	3,6–3,8	≈2

^E Экспериментальное наблюдение; ^T Теоретическое предсказание

Радиальная эластичность

С другой стороны, были свидетельства того, что в радиальном направлении они довольно мягкие. Первое наблюдение радиальной упругости с помощью просвечивающего электронного микроскопа показало, что даже силы Ван-дер-Ваальса могут деформировать две соседние нанотрубки. Позже несколько групп выполняли наноиндентирование с помощью атомно-силового микроскопа для количественного измерения радиальной упругости многослойных углеродных нанотрубок, а атомно-силовая микроскопия в постукивающем / контактном режиме также проводилась на однослойных углеродных нанотрубках. Модуль Юнга порядка нескольких ГПа показал, что УНТ действительно очень мягкие в радиальном направлении. Полная фазовая диаграмма, показывающая переход к радиально сжатой геометрии в зависимости от диаметра, давления и количества стенок трубы, была получена на основе полуэмпирических оснований.

Упругость УНТ в радиальном направлении важна, особенно для композитов из углеродных нанотрубок, в которых встроенные трубки подвергаются большой деформации в поперечном направлении под воздействием нагрузки на композитную структуру.

Одной из основных проблем при характеристике радиальной упругости УНТ является знание внутреннего радиуса УНТ; углеродные нанотрубки с одинаковым внешним диаметром могут иметь разный внутренний диаметр (или количество стенок). В 2008 году был внедрен метод атомно-силового микроскопа для определения точного количества слоев и, следовательно, внутреннего диаметра УНТ. Таким образом, механическая характеристика становится более точной.

Твердость

Стандартные однослойные углеродные нанотрубки могут выдерживать давление до 25 ГПа без [пластической / остаточной] деформации. Затем они превращаются в сверхтвердые фазовые нанотрубки. Максимальные давления, измеренные с использованием современных экспериментальных методов, составляют около 55 ГПа. Однако эти новые сверхтвердые фазовые нанотрубки коллапсируют при еще более высоком, хотя и неизвестном, давлении.

Объемный модуль упругости сверхтвердых фазы нанотрубок 462 до 546 ГПа, даже выше , чем у алмаза (420 ГПа для монокристалла алмаза).

Смачиваемость

Смачиваемость поверхности УНТ важна для ее применения в различных условиях. Хотя внутренний краевой угол графита составляет около 90 °, краевые углы большинства синтезированных массивов УНТ превышают 160 °, что свидетельствует о супергидрофобности. При подаче напряжения всего 1,3 В крайняя водоотталкивающая поверхность может быть переключена на супергидрофильную.

Кинетические свойства

Многослойные нанотрубки представляют собой несколько концентрических нанотрубок, точно вложенных друг в друга. Они демонстрируют поразительное телескопическое свойство, благодаря которому внутреннее ядро нанотрубки может скользить, почти без трения, внутри своей внешней оболочки нанотрубки, создавая таким образом атомарно совершенный линейный или вращательный подшипник. Это один из первых истинных примеров молекулярной нанотехнологии , точного позиционирования атомов для создания полезных машин. Это свойство уже было использовано для создания самого маленького в мире вращательного двигателя . Также предусмотрены будущие приложения, такие как механический генератор гигагерц.

Дефекты

Как и в случае с любым материалом, наличие кристаллографического дефекта влияет на его свойства. Дефекты могут возникать в виде атомных вакансий . Высокий уровень таких дефектов может снизить предел прочности на разрыв до 85%. Важным примером является дефект Стоун-Уэльс , иначе известный как дефект 5-7-7-5, потому что он создает пару пятиугольника и семиугольника путем перегруппировки связей. Из-за очень маленькой структуры УНТ предел прочности на разрыв трубки зависит от ее самого слабого сегмента, как и у цепи, где прочность самого слабого звена становится максимальной прочностью цепи.

Пластическая деформация

Типичный трехмерный материал подвергается пластической деформации , что означает, что деформация является постоянной, за счет перемещения одномерных дислокаций через материал. Во время этого процесса эти дислокации могут взаимодействовать друг с другом и размножаться. Поскольку УНТ сами по себе являются одномерными материалами, хорошо известные механизмы генерации и размножения (такие как источник Франка-Рида ) для одномерных дислокаций неприменимы.

Вместо этого УНТ подвергаются пластической деформации за счет образования и движения дефектов, в первую очередь топологических дефектов, таких как дефект Стоун-Уэльса или дефект 5-7-7-5. Дефект 5-7-7-5 также можно рассматривать как пару дефектов 5-7, в которых каждый дефект примыкает к одному 5-членному и двум 7-членным кольцам. Эта дефектная структура является метастабильной , поэтому для зарождения или образования требуется энергия в несколько эВ. Кроме того, дефект перемещается за счет раздельной миграции 5-7 пар дефектов. Это движение также связано с энергетическим барьером. Точная энергия зависит от конфигурации и хиральности конкретной УНТ. Энергию активации образования этих дефектов в УНТ с диаметром и углом хиральности можно оценить как эВ, где - внешняя деформация. Этот энергетический барьер активации частично объясняет низкую пластичность УНТ (~ 6-15%) при комнатной температуре. Однако его можно преодолеть при высоких температурах или с применением подходящих штаммов. Например, дефект зарождается в местах, испытывающих высокое растягивающее напряжение в УНТ типа «кресло», и в позициях, испытывающих высокое напряжение сжатия в УНТ зигэгообразного типа. ${\ displaystyle D}$ ${\ displaystyle \ chi}$ ${\ displaystyle E = 10.0-0.58 / D-17.5 \ epsilon -27 \ epsilon \ sin (2 \ chi +46 ^ {\ circ})}$ ${\ displaystyle \ epsilon}$

Приложенные напряжения могут преодолеть энергетический барьер, необходимый для перемещения 5-7 пар дефектов. Другой способ понять это заключается в том, что при деформации УНТ высвобождает деформацию, спонтанно формируя эти дефекты. Например, в трубках (5,5) критическая деформация растяжения ~ 5% приводит к образованию дефектов. Дефектная структура снижает деформацию, поскольку геометрия семиугольника способна растягиваться больше, чем исходные шестиугольные кольца, в то время как связь CC остается примерно такой же длины. Изгиб трубок за пределы критической кривизны дает тот же эффект. Это поведение можно приблизительно оценить с помощью простого полуколичественного анализа. Приложение напряжения к трубке длины и диаметра действительно работает примерно так же, как на трубке, где - векторы Бюргерса для дефекта, - кривизна изгиба и связывает модуль Юнга УНТ с модулем Юнга графена. Увеличение энергии в результате создания дефекта и разделения 5-7 пар приблизительно равно . Здесь - энергия ядра дислокации и дает энергию взаимодействия между парами дефектов. Дефект движение происходит , когда работа делается с помощью приложенного напряжения преодолевает его, таким образом, чтобы требуемая кривизна изгиба обратно пропорциональна диаметру НКТ: . Точно так же тепловые колебания могут обеспечивать энергию, необходимую для зарождения и движения дефектов. Фактически, чтобы вызвать наблюдаемую пластическую деформацию в УНТ, требуется сочетание напряжения и высокой температуры. В литературе это было достигнуто с помощью приложения тока, который вызывает резистивный нагрев материала. Для УНТ, подвергнутых воздействию температур выше 1500K, сообщалось об удлинении до 280%. Такое поведение называется сверхпластичностью . При таких высоких температурах изгибы могут образовываться и перемещаться как при подъеме, так и при скольжении. Обращение изгибов подтверждается тем фактом, что они движутся не всегда по плотноупакованным плоскостям в УНТ, а по длине трубки. Когда изгибы действительно скользят по плотноупакованным плоскостям в УНТ, они движутся по спиральной траектории. Предполагается, что повышенные температуры допускают диффузию вакансий, так что дефекты преодолевают процесс, аналогичный тому, который наблюдается в трехмерных кристаллических материалах. ${\ displaystyle \ sigma}$ ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle b \ int _ {0} ^ {L} \ sigma (L) dL = \ lambda b \ rho D ^ {2}}$ ${\ displaystyle b}$ ${\ displaystyle \ rho}$ ${\ displaystyle \ lambda}$ ${\ displaystyle E (L) = 2E_ {core} + A \ lambda b ^ {2} g (D)}$ ${\ displaystyle E_ {core}}$ ${\ displaystyle g (D)}$ ${\ displaystyle \ rho _ {yield} \ приблизительно {\ frac {2E_ {core} / \ lambda b + Abg (D)} {D ^ {2}}}}$

Languages

In other projects