Блог

Jun 23, 2023

Три

Научные отчеты, том 6,

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 18930 (2016) Цитировать эту статью

5186 Доступов

53 цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Эффективная сборка ячеистых твердых тел на основе углеродных нанотрубок (УНТ) с соответствующей структурой является ключом к полной реализации потенциала отдельных нанотрубок в макроскопической архитектуре. В этой работе макроскопическая губка УНТ, состоящая из случайно соединенных между собой отдельных углеродных нанотрубок, была выращена методом CVD, демонстрируя сочетание сверхэластичности, высокого соотношения прочности и веса, усталостной прочности, термомеханической стабильности и электромеханической стабильности. Чтобы глубже понять такие выдающиеся механические характеристики по сравнению с обычными ячеистыми материалами и другими наноструктурированными ячеистыми архитектурами, на основе классической теории упругости проводится тщательное исследование реакции этой губчатой ​​структуры на основе УНТ на сжатие. Исследуется сильная межтрубная связь между соседними нанотрубками, которая, как полагают, играет решающую роль в обратимой деформации, такой как изгиб и коробление, без структурного разрушения при сжатии. На основе наблюдений сканирующей электронной микроскопии in-situ и анализа деформации нанотрубок предлагается структурная эволюция (переход полностью упругого изгиба-выпучивания) губок углеродных нанотрубок к деформации для выяснения их механических свойств и поведения нелинейного электромеханического взаимодействия.

Искусственные ячеистые материалы с пористой структурой, низкой плотностью, большой удельной площадью и высокой демпфирующей способностью все чаще разрабатываются для изоляции, амортизации, плавучести, фильтрации, поддержки катализаторов, звукопоглощения и тканевых каркасов1,2,3,4. Наиболее известны полимерные пенопласты, используемые во всем: от беруш до защитных накладок в кабине самолета. Многие применения требуют, чтобы материалы обладали механической стабильностью, включая упругость, несущую способность, сопротивление усталости и термомеханическую стабильность, в то время как характеристики стабильности полимерных пеноматериалов ограничены их температурными и зависящими от времени вязкоупругими свойствами, такими как ползучесть и релаксация напряжений5. ,6. Несмотря на то, что за последние десятилетия был разработан широкий спектр материалов для удовлетворения различных потребностей, остается большой проблемой разработка и изготовление ячеистых твердых тел, обладающих сверхмеханической стабильностью. Недавние работы подчеркнули потенциал разработки макроскопических трехмерных (3D) архитектур из наноразмерных строительных блоков для поглощения энергии, амортизации и гибких электронных устройств7,8,9,10,11,12,13. Кроме того, многофункциональность компонентов нанонаполнителей также расширит диапазон искусственных ячеистых твердых веществ и разнообразие их применений14,15,16,17.

Среди широкого спектра доступных наноразмерных строительных блоков различных размеров углеродные нанотрубки (УНТ) чрезвычайно привлекательны благодаря своим удивительным свойствам, таким как специфическая волокнистая структура, невероятная прочность на разрыв, превосходная термическая стабильность, низкая плотность, электропроводность и, в частности, превосходная прочность на разрыв. -эластичность18,19,20,21. Фактически, губкообразные твердые тела на основе УНТ продемонстрировали многофункциональность, хорошую сжимаемость и сверхлегкий вес, тогда как сверхмеханическая стабильность далека от теоретических ожиданий. Выровненные массивы УНТ продемонстрировали замечательную механическую устойчивость за счет использования эластичности отдельных УНТ при сжатии, тогда как запутанные соседние нанотрубки внутри выровненного леса могут вызвать кажущееся снижение напряжения во время циклов сжатия7,8,22. Недавно ячеистые твердые вещества на основе УНТ, такие как аэрогели и пены, продемонстрировали сотовую морфологию с размером ячеек в десятки микрометров и сверхнизкой плотностью, легкой, как воздух23,24. Тем не менее, в этих клеточных стенках толщиной в несколько десятков нанометров исключительные механические свойства отдельных углеродных нанотрубок не могут быть эффективно использованы при сжатии. Как только происходит неупругий коллапс, слабая взаимосвязь между соседними клеточными стенками может привести к плохой механической стабильности и способности к восстановлению при деформации большой деформации24. Кроме того, соотношение прочности и плотности в этих трехмерных архитектурах относительно низкое из-за размеров ячеек микрометра. Таким образом, эффективная сборка ячеистых твердых тел на основе УНТ с соответствующей структурой является ключом к полной реализации потенциала отдельных нанотрубок в макроскопической архитектуре и достижению превосходных механических свойств и стабильности. Иерархическая сеть, такая как трехмерная ферма, которая, как доказано, очень полезна для максимизации объемного модуля упругости и механической стабильности, широко используется в инженерных конструкциях и структурном проектировании материалов. В нашей предыдущей работе аналогичная ферменная структура была достигнута в макроскопических монолитных губках из углеродных нанотрубок методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), в котором отдельные нанотрубки случайным образом соединяются между собой в трехмерные скелеты25,26,27,28,29,30,31. Хотя более ранние работы продемонстрировали многофункциональные свойства таких губок из УНТ, о комплексных исследованиях, посвященных их коллективному механическому поведению, пока не сообщалось. Тщательное понимание механической реакции этой структуры на основе УНТ на деформацию даст представление об их сроке службы и прольет дополнительный свет на структурный дизайн трехмерных архитектур на основе наноуглеродных материалов.