Как углеродные нанотрубки меняют представление о прочности материалов

Что в 100 раз прочнее стали и легче алюминия? Углеродные нанотрубки — одни из самых прочных материалов, когда-либо обнаруженных, однако инженеры только начинают раскрывать весь их потенциал.

Углеродные нанотрубки – это аллотроп углерода. , что означает, что они представляют собой одно из нескольких возможных расположений атомов, которые может принимать углерод . В природе чистый углерод встречается либо в виде графита , мягкое чешуйчатое твердое вещество или алмаз , прозрачный и самый твердый природный материал.

Углеродные нанотрубки более тесно связаны с графитом, чем с алмазом. Хотя графит очень мягкий, он состоит из слоев атомов углерода, расположенных пластинами толщиной в один атом. Эти отдельные листы называются графеном, а углеродные нанотрубки — это то, что можно получить, свернув лист графена в трубку. .

Графен сам по себе замечательный материал. Подобно углеродным нанотрубкам, он невероятно прочен. . Нобелевская премия по физике 2010 г. была присуждена команде, которая впервые выделила лист графена, а графен настолько прочен, что теоретически лист графена весом около одного миллиграмма может удержать кошку .

Этот гипотетический «кошачий гамак» будет иметь толщину всего в один атом и совершенно невидим для человеческого глаза. . Углеродные нанотрубки состоят из одного или нескольких слоев графена, собранных в трубку, и также чрезвычайно прочны. .

<рисунок>

Согласно документу Нобелевской академии, если гамак площадью один квадратный метр, сделанный из графена, «привязать между двумя деревьями, вы можете поместить вес примерно в 4 килограмма, прежде чем он сломается. Таким образом, должно быть возможно сделать из графена почти невидимый гамак, который мог бы удерживать кошку, не ломаясь.

В настоящее время углеродные нанотрубки в основном используются для улучшения свойств полимерных композитов. . Углеродные нанотрубки обладают рядом полезных свойств:

• Очень высокая прочность
• Высокое соотношение прочности и веса.
• Высокая электропроводность
• Высокая теплопроводность

Свойства углеродных нанотрубок

По сравнению с другими армирующими материалами углеродные нанотрубки значительно прочнее других волокон используется в полимерных композитах, армированных волокном. Недавние исследования также были сосредоточены на разработке функционально градиентных полимеров, где углеродные нанотрубки распределяются стратегически. внутри полимерной структуры, чтобы придать ей особые механические свойства.

Материал	Сила (источники данных в ссылках)
Многослойные углеродные нанотрубки	11–63 ГПа
Углеродное волокно	3,5–5,5 ГПа
Стекловолокно	3,5–4,6 ГПа
Кевлар	3,0 ГПа
Сталь	0,23–0,73 ГПа

Углеродные нанотрубки также обладают хорошей электро- и теплопроводностью. , что делает их полезными в упаковке электроники или в качестве добавок к полимерам и клеям сделать их токопроводящими. Традиционно металлы были основным материалом, используемым в качестве электрических и тепловых проводников в электронике, поскольку полимеры и керамика по сравнению с ними обладали плохой электропроводностью и теплопроводностью.

Однако, добавляя углеродные нанотрубки, некоторые полимеры можно сделать проводящими. , что открывает новые возможности для более быстрого и дешевого производства электроники. .

Материал	Электропроводность (источники данных в ссылках)	Теплопроводность (источники данных в ссылках)
Однослойные углеродные нанотрубки	10 2 - 10 6 См/см	6000 Вт/мК
Многослойные углеродные нанотрубки	10 3 - 10 5 См/см	2000 Вт/мК
Алмаз	10 -2 - 10 -15 См/см	900–2320 Вт/мК
Графит	3,3 - 4000 См/см	2,2–298 Вт/мК
Медь	4.3•10 9 - 5,9•10 9 См/см	305–385 Вт/мК

Композиты, армированные углеродными нанотрубками

Если графен и углеродные нанотрубки такие невероятно прочные, то почему мы не используем их во всем ? Деталь с прочностью, сравнимой с графеном или углеродными нанотрубками, будет практически неразрушимой по сравнению с любым другим материалом.

Чтобы понять сложность использования невероятной прочности углеродных нанотрубок и графена, мы можем рассмотреть причину мягкости графита. . Отдельные листы графена чрезвычайно прочны, но графит мягкий, потому что связи между листами графена слабые .

Отдельные углеродные нанотрубки — один из самых прочных материалов, когда-либо обнаруженных, но они должны быть соединены вместе, чтобы их прочность была полезной. .

<рисунок>

Углеродные нанотрубки — это то, что можно получить, свернув лист графена в трубку.

Вот почему углеродные нанотрубки часто используются в качестве добавок к другим материалам. , обычно полимеры, для улучшения их свойств. Углеродные нанотрубки добавляют прочности а «матричный» материал, в котором они рассеяны, удерживает все вместе. Но это оставляет нас с вопросом:Почему эти крошечные углеродные нанотрубки намного прочнее объемных материалов? Они сильные, потому что маленькие.

Сверхпрочные наноматериалы

Ключ к прочности углеродных нанотрубок заключается в том, что они приближаются к теоретической прочности углерода из-за своего небольшого размера . Теоретическая прочность материала — это напряжение, которое потребуется, чтобы разрушить совершенный кристалл без каких-либо дефектов.

Например, теоретическая прочность чистого железа составляет 31,8 ГПа, тогда как массивные стали имеют прочность в пределах 270-740 МПа, что составляет менее 2,5 % от теоретической прочности. Это связано с тем, что крошечные дефекты, известные как дислокации, делают объемные стали восприимчивыми к пластической деформации и разрушению при более низких напряжениях по сравнению с гипотетическим бездефектным кристаллом .

<рисунок>

СЭМ-изображение выровненных углеродных нанотрубок. © Фраунгофер ИКТС

Сыпучие материалы никогда не приближаются к своей теоретической прочности потому что даже при очень тщательной обработке крупногабаритные материалы неизбежно оказываются дефектами микроструктуры. которые уменьшают их силу. По этой же причине, к сожалению, люди вряд ли когда-либо смогут изготовить большой и совершенный лист графена как кошачий гамак из графена толщиной в один атом, описанный на церемонии вручения Нобелевской премии 2010 года.

Такой большой лист обязательно будет содержать дефекты это уменьшит его прочность, и кошка порвет гамак. Таким образом, обработка большинства сыпучих материалов направлена ​​на ограничение влияния их микроструктурных дефектов, а не на полное устранение дефектов. . Создание большого количества полностью бездефектного материала практически невозможно при современных технологиях.

<рисунок>

Электронно-микроскопическое изображение электрохимически выращенных нанотрубок TiO2. Трубки в 10 000 раз меньше ширины человеческого волоса и заполнены органическим полимером в соответствии с новой технологией «выращивания» солнечных элементов, которые могут быть дешевле, чем современные солнечные элементы.

Синтез бездефектного материала гораздо более осуществим, если объем материала очень и очень мал. Проще говоря, очень маленькое количество материала статистически менее вероятно будет содержать дефект, чем большое , а небольшие объемы материала легче создавать с помощью процессов химического выращивания, которые вносят мало дефектов.

Таким образом, можно создавать большое количество бездефектных нанотрубок , но невозможно создать большой монолитный кусок бездефектного материала. Углеродные нанотрубки сверхпрочные, потому что они сверхмалые что позволяет им быть бездефектными.

<рисунок>

Углеродные нанотрубки скручиваются, образуя пряжу.

Также стоит помнить, что прочность материалов измеряется путем деления силы, необходимой для разрушения образца, на площадь поперечного сечения этого образца. , что приводит к таким единицам, как мегапаскаль (МПа), что эквивалентно одному ньютону на квадратный миллиметр (Н/мм2). Таким образом, измерения прочности автоматически компенсируют количество материала в образце, и, следовательно, мы можем сравнить прочность стального стержня диаметром 1 см с прочностью углеродной нанотрубки диаметром 1 мкм.

Крошечная нанотрубка, скорее всего, будет полностью бездефектной , а потому очень сильный. Но чтобы связать достаточное количество нанотрубок, чтобы создать деталь, равную размеру стального стержня, нам пришлось бы создать композит, армированный волокном. .

Небольшой размер и, как следствие, отсутствие дефектов — вот что делает углеродные нанотрубки сверхпрочным наноматериалом. , с отдельными многостенными углеродными нанотрубками, имеющими заявленную прочность 11–63 ГПа, что близко к теоретической прочности углерода 156,0 ГПа. Другие материалы также могут быть превращены в сверхмалые , бездефектные «усы», в том числе железо, прочность которого в форме наноусов составляет 13 ГПа, что намного ближе к теоретической прочности железа, чем объемные стали.

Многие другие материалы были синтезированы в нанотрубках , нанопроволока или нитевидные кристаллы образуются в лабораторных условиях, но углеродные нанотрубки — один из немногих сверхпрочных наноматериалов, доступных в коммерческих количествах от таких поставщиков, как Goodfellow.

Выводы

Углеродные нанотрубки — один из самых прочных материалов, когда-либо обнаруженных, потому что их чрезвычайно малый размер позволяет им быть бездефектными и приблизиться к достижению теоретической прочности углерода . Вот почему углеродные нанотрубки чаще всего используются для улучшения свойств других материалов. , например, когда их добавляют в полимерные матрицы для повышения их прочности, электропроводности и теплопроводности.

Прочность углеродных нанотрубок на порядки выше, чем у других волокон, обычно используемых в армированных волокнами композитах. Углеродные нанотрубки обладают хорошей электро- и теплопроводностью также позволяет создавать проводящие полимеры для электронных приложений, где традиционно используются металлы.