Механические свойства углеродных нанотрубок

Механические свойства углеродных нанотрубок показывают, что они являются одними из самых прочных материалов в природе. Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой длинные полые цилиндры графена . Хотя листы графена обладают двумерной симметрией, углеродные нанотрубки по геометрии имеют разные свойства в осевом и радиальном направлениях. Было показано, что УНТ очень прочны в осевом направлении. ^[1] Были получены модуль Юнга порядка 270–950 ГПа и прочности предел 11–63 ГПа . ^[1]

Сила

Углеродные нанотрубки являются самыми прочными и жесткими материалами, когда-либо обнаруженными с точки зрения прочности на разрыв и модуля упругости соответственно. Эта сила является результатом ковалентной sp ² связи, образующиеся между отдельными атомами углерода. В 2000 году многостенная углеродная нанотрубка была протестирована на прочность на разрыв 63 гигапаскаля (9 100 000 фунтов на квадратный дюйм). (Например, это означает способность выдерживать натяжение кабеля с поперечным сечением 1 квадратный миллиметр (0,0016 квадратного дюйма).) 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 квантовыми/атомистическими моделями. Поскольку углеродные нанотрубки имеют низкую для твердого тела плотность от 1,3 до 1,4 г/см. ³, его удельная прочность до 48 000 кН·м·кг ⁻¹ является лучшим из известных материалов по сравнению с высокоуглеродистой сталью с усилием 154 кН·м·кг. ⁻¹.

При чрезмерном растяжении трубы подвергаются пластической деформации , что означает, что деформация является постоянной. Эта деформация начинается при деформации примерно 5% и может увеличить максимальную деформацию, которой подвергаются трубы перед разрушением, за счет высвобождения энергии деформации. ^{[ нужна ссылка ]}

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

УНТ не так прочны при сжатии. Из-за своей полой структуры и большого удлинения они имеют тенденцию подвергаться короблению при воздействии сжимающих , скручивающих или изгибающих напряжений.

Сравнение механических свойств
Материал	Модуль Юнга (ТПа)	Предел прочности (ГПа)	Удлинение при разрыве (%)
Одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) ^И	≈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
Хиральные ОСНТ	0.92
МНТ ^И	0.2–0.8–0.95	11–63–150
Нержавеющая сталь ^И	0.186–0.214	0.38–1.55	15–50
Кевлар –29 и 149 ^И	0.06–0.18	3.6–3.8	≈2

^ИЭкспериментальное наблюдение; ^ТТеоретическое предсказание

Радиальная эластичность

С другой стороны, были свидетельства того, что в радиальном направлении они довольно мягкие. Первое с помощью просвечивающего электронного микроскопа наблюдение радиальной упругости показало, что даже силы Ван-дер-Ваальса могут деформировать две соседние нанотрубки. ^[2] Позже наноиндентирование с помощью атомно-силового микроскопа для количественного измерения радиальной упругости многостенных углеродных нанотрубок. несколько групп выполнили ^[3]^[4] в режиме постукивания/контакта Атомно-силовая микроскопия также проводилась на одностенных углеродных нанотрубках. ^[5] Модуль Юнга порядка нескольких ГПа показал, что УНТ на самом деле очень мягкие в радиальном направлении. Полная фазовая диаграмма, показывающая переход к радиально-сжатой геометрии в зависимости от диаметра, давления и количества стенок трубки, была получена на полуэмпирических основаниях. ^[6]

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

Одной из основных проблем характеристики 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 представлен метод с использованием атомно-силового микроскопа для определения точного количества слоев и, следовательно, внутреннего диаметра УНТ. Таким образом, механическая характеристика становится более точной. ^[7]

Твердость

Стандартные одностенные углеродные нанотрубки выдерживают давление до 25 ГПа без [пластической/остаточной] деформации. Затем они претерпевают трансформацию в нанотрубки сверхтвердой фазы. Максимальное давление, измеренное с использованием современных экспериментальных методов, составляет около 55 ГПа. Однако эти новые нанотрубки сверхтвердой фазы разрушаются при еще более высоком, хотя и неизвестном, давлении. ^{[ нужна ссылка ]}

Модуль объемного сжатия нанотрубок сверхтвердой фазы составляет от 462 до 546 ГПа, что даже выше, чем у алмаза (420 ГПа для монокристалла алмаза).

Смачиваемость

Смачиваемость поверхности УНТ имеет важное значение для ее применения в различных условиях. Хотя собственный угол смачивания графита составляет около 90 °, углы смачивания большинства синтезированных массивов УНТ превышают 160 °, что демонстрирует супергидрофобные свойства. Приложив напряжение всего 1,3 В, можно превратить экстремальную водоотталкивающую поверхность в супергидрофильную. ^{[ нужна ссылка ]}

Кинетические свойства

Многостенные нанотрубки представляют собой несколько концентрических нанотрубок, точно вложенных друг в друга. Они обладают поразительным телескопическим свойством, благодаря которому внутреннее ядро нанотрубки может скользить почти без трения внутри внешней оболочки нанотрубки, создавая тем самым атомарно совершенный линейный или вращательный подшипник. Это один из первых настоящих примеров молекулярной нанотехнологии — точного позиционирования атомов для создания полезных машин. Это свойство уже было использовано для создания самого маленького в мире ротационного двигателя . Также предусмотрены будущие приложения, такие как механический генератор гигагерцового диапазона.

Дефекты

Как и в случае с любым материалом, наличие кристаллографического дефекта влияет на свойства материала. Дефекты могут возникать в виде атомных вакансий . Высокий уровень таких дефектов может снизить прочность на разрыв до 85%. Важным примером является дефект Стоуна Уэльса , также известный как дефект 5-7-7-5, поскольку он создает пару пятиугольника и семиугольника путем перестановки связей. Из-за очень маленькой структуры УНТ прочность трубки на разрыв зависит от ее самого слабого сегмента аналогично цепи, где прочность самого слабого звена становится максимальной прочностью цепи.

Пластическая деформация

Типичный 3D-материал подвергается пластической деформации , то есть деформация является постоянной за счет движения 1D- дислокаций через материал. В ходе этого процесса эти дислокации могут взаимодействовать друг с другом и размножаться. Поскольку УНТ сами по себе являются одномерными материалами, хорошо известные механизмы генерации и умножения (такие как источник Франка-Рида ) для одномерных дислокаций не применимы. ^[8]

Вместо этого УНТ подвергаются пластической деформации за счет образования и перемещения дефектов, в первую очередь топологических дефектов, таких как дефект Стоун-Уэльса или дефект 5-7-7-5. Дефект 5-7-7-5 можно также рассматривать как пару дефектов 5-7, в которой каждый дефект примыкает к одному 5-членному и двум 7-членным кольцам. ^[9] Эта дефектная структура метастабильна , поэтому для зарождения или формирования требуется энергия в несколько эВ. Кроме того, дефект перемещается путем раздельной миграции 5-7 пар дефектов. Это движение также связано с энергетическим барьером. Точная энергия зависит от конфигурации и киральности конкретной УНТ. Энергия активации образования этих дефектов в УНТ диаметром $D$ и киральный угол $\chi$ можно оценить как $E=10.0-0.58/D-17.5\epsilon -27\epsilon \sin(2\chi +46^{\circ })$ эВ, где $\epsilon$ это внешняя нагрузка. ^[10]^[11] Этот энергетический барьер активации частично объясняет низкую пластичность УНТ (~6–15%) при комнатной температуре. Однако его можно преодолеть с помощью высоких температур или применения подходящих штаммов. ^[12] Например, дефект зарождается в местах, испытывающих высокие растягивающие напряжения в УНТ типа «кресло», и в местах, испытывающих высокие сжимающие напряжения в УНТ зигаг-типа. ^[13]

Приложенные напряжения позволяют преодолеть энергетический барьер, необходимый для перемещения 5-7 пар дефектов. Другой способ понять это состоит в том, что при напряжении УНТ снимает напряжение, спонтанно образуя эти дефекты. Например, в трубках (5,5) критическая деформация растяжения ~5% приводит к образованию дефектов. Дефектная структура снижает напряжение, поскольку геометрия семиугольника способна растягиваться больше, чем исходные шестиугольные кольца, в то время как связь CC остается примерно той же длины. ^[14] Изгиб трубок за пределами критической кривизны имеет тот же эффект. Такое поведение можно аппроксимировать простым полуколичественным анализом. Применение стресса $\sigma$ по трубке длиной $L$ и диаметр $L$ работает примерно равно $b\int _{0}^{L}\sigma (L)dL=\lambda b\rho D^{2}$ на трубке, где $b$ – векторы Бюргерса для дефекта, $\rho$ - кривизна изгиба, а $\lambda$ связывает модуль Юнга УНТ с модулем графена. Увеличение энергии в результате создания дефектов и разделения 5-7 пар приблизительно определяется выражением $E(L)=2E_{core}+A\lambda b^{2}g(D)$ . Здесь, $E_{core}$ – энергия ядра дислокации и $g(D)$ дает энергию взаимодействия между парами дефектов. Движение дефекта происходит, когда работа, совершаемая приложенным напряжением, преодолевает его, так что требуемая кривизна изгиба обратно пропорциональна диаметру УНТ: $\rho _{yield}\approx {\frac {2E_{core}/\lambda b+Abg(D)}{D^{2}}}$ . ^[13] Точно так же тепловые вибрации могут обеспечить энергию, необходимую для зарождения и движения дефектов. Фактически, чтобы вызвать наблюдаемую пластическую деформацию УНТ, необходимо сочетание напряжения и высокой температуры. В литературе это было достигнуто за счет применения тока, вызывающего резистивный нагрев материала. ^[15] Сообщалось, что для УНТ, подвергнутых воздействию температур выше 1500 К, удлинение достигает 280%. Такое поведение называется сверхпластичностью . ^[16] При таких высоких температурах могут образовываться изломы, которые могут перемещаться как при подъеме, так и при скольжении. О переползании изломов свидетельствует тот факт, что в УНТ они движутся не всегда по плотноупакованным плоскостям, а по длине трубки. Когда изломы скользят по плотноупакованным плоскостям в УНТ, они следуют по винтовой траектории. Предполагается, что повышенные температуры способствуют диффузии вакансий, так что дефекты поднимаются в результате процесса, аналогичного тому, который наблюдается в трехмерных кристаллических материалах. ^[17]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б М.-Ф. Ю; и др. (2000). «Прочность и механизм разрушения многостенных углеродных нанотрубок под действием растягивающей нагрузки». Наука . 287 (5453): 637–40. Бибкод : 2000Sci...287..637Y . дои : 10.1126/science.287.5453.637 . ПМИД 10649994 .
^ РС Руофф; и др. (1993). «Радиальная деформация углеродных нанотрубок силами Ван-дер-Ваальса». Природа . 364 (6437): 514. Бибкод : 1993Natur.364..514R . дои : 10.1038/364514a0 . S2CID 4264362 .
^ И. Палачи; и др. (2005). «Радиальная упругость многостенных углеродных нанотрубок». Письма о физических отзывах . 94 (17): 175502. arXiv : 1201.5501 . Бибкод : 2005PhRvL..94q5502P . doi : 10.1103/PhysRevLett.94.175502 . ПМИД 15904310 . S2CID 8090975 .
^ М.-Ф. Ю; и др. (2000). «Исследование радиальной деформируемости отдельных углеродных нанотрубок под действием контролируемой силы вдавливания». Письма о физических отзывах . 85 (7): 1456–9. Бибкод : 2000PhRvL..85.1456Y . дои : 10.1103/PhysRevLett.85.1456 . ПМИД 10970528 .
^ ЙХЯнг; и др. (2011). «Радиальная упругость одностенной углеродной нанотрубки, измеренная методом атомно-силовой микроскопии». Письма по прикладной физике . 98 (4): 041901. дои : 10.1063/1.3546170 .
^ Ю.Магнин; и др. (2021). «Фазовая диаграмма коллапса углеродных нанотрубок с произвольным числом стенок. Режимы коллапса и макроскопический аналог». Карбон . 178 : 552.
^ М. Минари-Йоландан, М.-Ф. Ю (2008). «Обратимая радиальная деформация вплоть до полного сплющивания углеродных нанотрубок при наноиндентировании». Журнал прикладной физики . 103 (7): 073516–073516–5. Бибкод : 2008JAP...103g3516M . дои : 10.1063/1.2903438 .
^ Сима, Хироюки; Сато, Мотохиро, ред. (2013). «Глава 6: Топологические дефекты». Упругая и пластическая деформация углеродных нанотрубок . ЦРК Пресс. стр. 81–110. ISBN 978-9814364157 .
^ П. Чжан; и др. (1998). «Пластические деформации углеродных нанотрубок». Письма о физических отзывах . 81 (24): 5346–5349. doi : 10.1103/PhysRevLett.81.5346 .
^ Т. Думитрика; и др. (2004). «Выход пластичности в углеродных нанотрубках, зависящий от скорости деформации и температуры, на основе расчетов ab initio». Письма по прикладной физике . 84 (15): 2775. дои : 10.1063/1.1695630 .
^ Л.Г. Чжоу; и др. (2003). «Энергия образования дефектов Стоуна-Уэйлса в углеродных нанотрубках». Письма по прикладной физике . 83 (6): 1222–1224. дои : 10.1063/1.1599961 . hdl : 10397/4230 .
^ М. Мори (2011). «Упругая и пластическая деформация углеродных нанотрубок» . Процедия Инжиниринг . 14 : 2366–2372. дои : 10.1016/j.proeng.2011.07.298 . hdl : 2115/54292 .
^ Jump up to: ^а ^б Х. Мори; и др. (2006). «Энергетика пластического изгиба углеродных нанотрубок». Физический обзор B . 74 (16): 165418. doi : 10.1103/PhysRevB.74.165418 .
^ МБ Нарделли; и др. (1998). «Механизм снятия деформации в углеродных нанотрубках» . Физический обзор B . 57 (8): 4277 рандов. дои : 10.1103/PhysRevB.57.R4277 .
^ Ю. Накаяма; и др. (2005). «Вызванная током пластическая деформация двустенных углеродных нанотрубок». Японский журнал прикладной физики . 44 : L720. дои : 10.1143/JJAP.44.L720 .
^ Цзюй Хуан; и др. (2006). «Суперпластичные углеродные нанотрубки» . Природа . 439 (7074): 281. дои : 10.1038/439281a . ПМИД 16421560 . S2CID 4407587 .
^ Цзюй Хуан; и др. (2006). «Формирование и движение изломов в углеродных нанотрубках при высоких температурах». Письма о физических отзывах . 97 (7): 075501. doi : 10.1103/PhysRevLett.97.075501 . ПМИД 17026242 .

[tensile_load_2000-1] Jump up to: ^а ^б М.-Ф. Ю; и др. (2000). «Прочность и механизм разрушения многостенных углеродных нанотрубок под действием растягивающей нагрузки». Наука . 287 (5453): 637–40. Бибкод : 2000Sci...287..637Y . дои : 10.1126/science.287.5453.637 . ПМИД 10649994 .

[2] РС Руофф; и др. (1993). «Радиальная деформация углеродных нанотрубок силами Ван-дер-Ваальса». Природа . 364 (6437): 514. Бибкод : 1993Natur.364..514R . дои : 10.1038/364514a0 . S2CID 4264362 .

[3] И. Палачи; и др. (2005). «Радиальная упругость многостенных углеродных нанотрубок». Письма о физических отзывах . 94 (17): 175502. arXiv : 1201.5501 . Бибкод : 2005PhRvL..94q5502P . doi : 10.1103/PhysRevLett.94.175502 . ПМИД 15904310 . S2CID 8090975 .

[4] М.-Ф. Ю; и др. (2000). «Исследование радиальной деформируемости отдельных углеродных нанотрубок под действием контролируемой силы вдавливания». Письма о физических отзывах . 85 (7): 1456–9. Бибкод : 2000PhRvL..85.1456Y . дои : 10.1103/PhysRevLett.85.1456 . ПМИД 10970528 .

[5] ЙХЯнг; и др. (2011). «Радиальная упругость одностенной углеродной нанотрубки, измеренная методом атомно-силовой микроскопии». Письма по прикладной физике . 98 (4): 041901. дои : 10.1063/1.3546170 .

[6] Ю.Магнин; и др. (2021). «Фазовая диаграмма коллапса углеродных нанотрубок с произвольным числом стенок. Режимы коллапса и макроскопический аналог». Карбон . 178 : 552.

[7] М. Минари-Йоландан, М.-Ф. Ю (2008). «Обратимая радиальная деформация вплоть до полного сплющивания углеродных нанотрубок при наноиндентировании». Журнал прикладной физики . 103 (7): 073516–073516–5. Бибкод : 2008JAP...103g3516M . дои : 10.1063/1.2903438 .

[8] Сима, Хироюки; Сато, Мотохиро, ред. (2013). «Глава 6: Топологические дефекты». Упругая и пластическая деформация углеродных нанотрубок . ЦРК Пресс. стр. 81–110. ISBN 978-9814364157 .

[9] П. Чжан; и др. (1998). «Пластические деформации углеродных нанотрубок». Письма о физических отзывах . 81 (24): 5346–5349. doi : 10.1103/PhysRevLett.81.5346 .

[10] Т. Думитрика; и др. (2004). «Выход пластичности в углеродных нанотрубках, зависящий от скорости деформации и температуры, на основе расчетов ab initio». Письма по прикладной физике . 84 (15): 2775. дои : 10.1063/1.1695630 .

[11] Л.Г. Чжоу; и др. (2003). «Энергия образования дефектов Стоуна-Уэйлса в углеродных нанотрубках». Письма по прикладной физике . 83 (6): 1222–1224. дои : 10.1063/1.1599961 . hdl : 10397/4230 .

[12] М. Мори (2011). «Упругая и пластическая деформация углеродных нанотрубок» . Процедия Инжиниринг . 14 : 2366–2372. дои : 10.1016/j.proeng.2011.07.298 . hdl : 2115/54292 .

[H._Mori_2006_165418-13] Jump up to: ^а ^б Х. Мори; и др. (2006). «Энергетика пластического изгиба углеродных нанотрубок». Физический обзор B . 74 (16): 165418. doi : 10.1103/PhysRevB.74.165418 .

[14] МБ Нарделли; и др. (1998). «Механизм снятия деформации в углеродных нанотрубках» . Физический обзор B . 57 (8): 4277 рандов. дои : 10.1103/PhysRevB.57.R4277 .

[15] Ю. Накаяма; и др. (2005). «Вызванная током пластическая деформация двустенных углеродных нанотрубок». Японский журнал прикладной физики . 44 : L720. дои : 10.1143/JJAP.44.L720 .

[16] Цзюй Хуан; и др. (2006). «Суперпластичные углеродные нанотрубки» . Природа . 439 (7074): 281. дои : 10.1038/439281a . ПМИД 16421560 . S2CID 4407587 .

[17] Цзюй Хуан; и др. (2006). «Формирование и движение изломов в углеродных нанотрубках при высоких температурах». Письма о физических отзывах . 97 (7): 075501. doi : 10.1103/PhysRevLett.97.075501 . ПМИД 17026242 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]