Механические свойства углеродных нанотрубок - Mechanical properties of carbon nanotubes

В механические свойства углеродных нанотрубок раскрывают их как один из самых прочных материалов в природе. Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой длинные полые цилиндры из графен. Хотя листы графена обладают двумерной симметрией, углеродные нанотрубки по геометрии обладают разными свойствами в осевом и радиальном направлениях. Было показано, что УНТ очень прочны в осевом направлении.^[1] Модуль для младших в порядке 270 - 950 ГПа и предел прочности из 11 - 63 ГПа были получены.^[1]

Сила

Углеродные нанотрубки - самые прочные и жесткие материалы, которые когда-либо открывались с точки зрения предел прочности и модуль упругости соответственно. Эта сила является результатом ковалентного sp.² связи, образованные 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, например 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 / см³, это удельная сила до 48000 кН · м · кг⁻¹ это лучший из известных материалов по сравнению с высокоуглеродистой сталью 154 кН · м · кг⁻¹.

При чрезмерной деформации растяжения трубы будут подвергаться Пластическая деформация, что означает постоянную деформацию. Эта деформация начинается при деформациях приблизительно 5% и может увеличить максимальную деформацию, которой подвергаются трубы перед разрушением, за счет высвобождения энергии деформации.^{[нужна цитата ]}

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 соотношения сторон они, как правило, подвержены коробление когда помещен под сжимающий, скручивающее или изгибающее напряжение.

Сравнение механических свойств

Материал	Модуль для младших (ТПа)	Предел прочности (ГПа)	Относительное удлинение при разрыве (%)
Одностенные углеродные нанотрубки (ОСНТ)^E	≈1 (от 1 до 5)	13–53	16
Кресло SWNT^Т	0.94	126.2	23.1
Зигзаг SWNT^Т	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&149^E	0.06–0.18	3.6–3.8	≈2

^EЭкспериментальное наблюдение; ^ТТеоретическое предсказание

Радиальная эластичность

С другой стороны, были свидетельства того, что в радиальном направлении они довольно мягкие. Первый просвечивающий электронный микроскоп наблюдение радиальной эластичности показало, что даже силы Ван дер Ваальса может деформировать две соседние нанотрубки.^[2] Потом, наноиндентирования с атомно-силовой микроскоп были выполнены несколькими группами для количественного измерения радиальной упругости многослойных углеродных нанотрубок.^[3][4] и режим касания / контакта атомно-силовая микроскопия также было выполнено на однослойных углеродных нанотрубках.^[5] Модуль Юнга порядка нескольких ГПа показал, что УНТ действительно очень мягкие в радиальном направлении.

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

Одна из основных проблем при характеристике радиальной упругости УНТ - это знание внутреннего радиуса УНТ; углеродные нанотрубки с одинаковым внешним диаметром могут иметь разный внутренний диаметр (или количество стенок). В 2008 году метод, использующий атомно-силовой микроскоп был введен для определения точного количества слоев и, следовательно, внутреннего диаметра УНТ. Таким образом, механическая характеристика становится более точной.^[6]

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 нанотрубки сверхтвердой фазы коллапсируют при еще более высоком, хотя и неизвестном, давлении.^{[нужна цитата]}

В объемный модуль нанотрубок сверхтвердой фазы составляет от 462 до 546 ГПа, что 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 настоящих примеров молекулярная нанотехнология, точное расположение атомов для создания полезных машин. Уже сейчас это свойство используется для создания самый маленький в мире двигатель вращения. Также предусмотрены будущие приложения, такие как механический генератор гигагерц.

Дефекты

Как и в случае с любым материалом, наличие кристаллографический дефект влияет на свойства материала. Дефекты могут возникать в виде атомарных свободные места. Высокий уровень таких дефектов может снизить предел прочности на разрыв до 85%. Важным примером является Дефект Каменного Уэльса, 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 3D-материал подвергается Пластическая деформация, что означает, что деформация постоянна, движением 1D вывихи через материал. Во время этого процесса эти дислокации могут взаимодействовать друг с другом и размножаться. Поскольку сами УНТ являются одномерными материалами, хорошо известные механизмы генерации и размножения (такие как Источник Франк-Рида ) для одномерных вывихов не применяются.^[7]

Вместо этого УНТ подвергаются пластической деформации за счет образования и движения дефектов, в первую очередь топологических дефектов, таких как Дефект Каменного Уэльса или дефект 5-7-7-5. Дефект 5-7-7-5 можно также рассматривать как пару дефектов 5-7, в которых каждый дефект примыкает к одному 5-членному и двум 7-членным кольцам.^[8] Эта дефектная структура метастабильный, 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 хиральность конкретной CNT. Энергия активации образования этих дефектов в УНТ диаметром ${\displaystyle D}$ и хиральный угол ${\displaystyle \chi }$ можно оценить как ${\displaystyle E=10.0-0.58/D-17.5\epsilon -27\epsilon \sin(2\chi +46^{\circ })}$эВ, где ${\displaystyle \epsilon }$ это внешнее напряжение.^[9][10] 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.^[11] Например, дефект зарождается в местах, испытывающих высокое растягивающее напряжение в УНТ типа «кресло», и в местах, испытывающих высокое напряжение сжатия в УНТ типа «зигаг».^[12]

Приложенные напряжения могут преодолеть энергетический барьер, необходимый для перемещения 5-7 пар дефектов. Другой способ понять это состоит 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 C-C остается примерно такой же длины. ^[13] Изгиб трубок за пределы критической кривизны дает тот же эффект. Такое поведение можно приблизительно оценить с помощью простого полуколичественного анализа. Применение стресса ${\displaystyle \sigma }$ над трубкой длины ${\displaystyle L}$ и диаметр ${\displaystyle L}$ работает примерно равно${\displaystyle b\int _{0}^{L}\sigma (L)dL=\lambda b\rho D^{2}}$ на трубе, где ${\displaystyle b}$ - векторы Бюргерса для дефекта, ${\displaystyle \rho }$ кривизна изгиба, а ${\displaystyle \lambda }$ связывает модуль Юнга УНТ с модулем графена. Увеличение энергии в результате создания дефекта и разделения 5-7 пар приблизительно определяется выражением ${\displaystyle E(L)=2E_{core}+A\lambda b^{2}g(D)}$. Здесь, ${\displaystyle E_{core}}$ - энергия ядра дислокации, а ${\displaystyle g(D)}$ дает энергию взаимодействия между парами дефектов. Движение дефекта происходит, когда работа, выполняемая приложенным напряжением, преодолевает его, так что требуемая кривизна изгиба обратно пропорциональна диаметру УНТ:${\displaystyle \rho _{yield}\approx {\frac {2E_{core}/\lambda b+Abg(D)}{D^{2}}}}$.^[14] Точно так же тепловые колебания могут обеспечивать энергию, необходимую для зарождения и движения дефектов. Фактически, чтобы вызвать заметную пластическую деформацию в УНТ, требуется сочетание напряжения и высокой температуры. В литературе это было достигнуто с помощью приложения тока, который вызывает резистивный нагрев материала.^[15] Для УНТ, подвергнутых воздействию температур выше 1500K, сообщалось об удлинении до 280%. Такое поведение называется сверхпластичность.^[16] При таких высоких температурах могут образовываться изгибы, которые перемещаются как при подъеме, так и при скольжении. Обращение изгибов подтверждается тем фактом, что они не всегда движутся по плотноупакованным плоскостям в УНТ, а скорее по длине трубки. Когда изгибы действительно скользят по плотноупакованным плоскостям в УНТ, они движутся по спиральной траектории. Предполагается, что повышенные температуры позволяют диффузию вакансий, так что дефекты преодолевают процесс, аналогичный тому, который наблюдается в трехмерных кристаллических материалах. ^[17]

Рекомендации

1. М.-Ф. Ю; и другие. (2000). «Прочность и механизм разрушения многослойных углеродных нанотрубок при растягивающей нагрузке». Наука. 287 (5453): 637–40. Bibcode:2000Sci ... 287..637Y. Дои:10.1126 / science.287.5453.637. PMID  10649994.
2. Р. С. Руофф; и другие. (1993). «Радиальная деформация углеродных нанотрубок силами Ван-дер-Ваальса». Природа. 364 (6437): 514. Bibcode:1993Натура.364..514R. Дои:10.1038 / 364514a0. S2CID  4264362.
3. И. Палачи; и другие. (2005). «Радиальная упругость многослойных углеродных нанотрубок». Письма с физическими проверками. 94 (17): 175502. arXiv:1201.5501. Bibcode:2005PhRvL..94q5502P. Дои:10.1103 / PhysRevLett.94.175502. PMID  15904310. S2CID  8090975.
4. М.-Ф. Ю; и другие. (2000). "Исследование радиальной деформируемости индивидуальных углеродных нанотрубок под действием контролируемой силы вдавливания". Письма с физическими проверками. 85 (7): 1456–9. Bibcode:2000ПхРвЛ..85.1456Л. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.1456. PMID  10970528.
5. Y.H. Yang; и другие. (2011). «Радиальная упругость однослойной углеродной нанотрубки, измеренная методом атомно-силовой микроскопии». Письма по прикладной физике. 98 (4): 041901. Дои:10.1063/1.3546170.
6. М. Минари-Джоландан, М.-Ф. Ю (2008). «Обратимая радиальная деформация вплоть до полного сплющивания углеродных нанотрубок при наноиндентировании». Журнал прикладной физики. 103 (7): 073516–073516–5. Bibcode:2008JAP ... 103g3516M. Дои:10.1063/1.2903438.
7. Шима, Хироюки; Сато, Мотохиро, ред. (2013). «Глава 6: Топологические дефекты». Упругая и пластическая деформация углеродных нанотрубок.. CRC Press. С. 81–110. ISBN  978-9814364157.
8. П. Чжан; и другие. (1998). «Пластические деформации углеродных нанотрубок». Письма с физическими проверками. 81 (24): 5346-5349. Дои:10.1103 / PhysRevLett.81.5346.
9. Т. Думитрика; и другие. (2004). "SStrain-скорость и температура зависимого пластического выхода в углеродных нанотрубках по расчетам ab initio". Письма по прикладной физике. 84 (15): 2775. Дои:10.1063/1.1695630.
10. L.G. Чжоу; и другие. (2003). «Энергия образования дефектов Стоуна-Уэльса в углеродных нанотрубках». Прикладные физические буквы. 83 (6): 1222-1224. Дои:10.1063/1.1599961. HDL:10397/4230.
11. М. Мори (2011). «Упругая и пластическая деформация углеродных нанотрубок». Разработка процедур. 14: 2366-2372. Дои:10.1016 / j.proeng.2011.07.298.
12. Х. Мори; и другие. (2006). «Энергетика пластического изгиба углеродных нанотрубок». Физический обзор B. 74 (16): 165418. Дои:10.1103 / PhysRevB.74.165418.
13. М. Б. Нарделли; и другие. (1998). «Механизм снятия деформации в углеродных нанотрубках». Физический обзор B. 57 (8): R4277. Дои:10.1103 / PhysRevB.57.R4277.
14. Х. Мори; и другие. (2006). «Энергетика пластического изгиба углеродных нанотрубок». Физический обзор B. 74 (16): 165418. Дои:10.1103 / PhysRevB.74.165418.
15. Ю. Накаяма; и другие. (2005). «Токопроводящая пластическая деформация двустенных углеродных нанотрубок». Японский журнал прикладной физики. 44: L720. Дои:10.1143 / JJAP.44.L720.
16. J.Y. Хуанг; и другие. (2006). «Сверхпластические углеродные нанотрубки». Природа. 439 (7074): 281. Дои:10.1038 / 439281a. PMID  16421560. S2CID  4407587.
17. J.Y. Хуанг; и другие. (2006). «Образование и движение кинка в углеродных нанотрубках при высоких температурах». Письма с физическими проверками. 97 (7): 075501. Дои:10.1103 / PhysRevLett.97.075501. PMID  17026242.