ננו-tube פחמן (CNT) מחזק פולימרים מייצגים את אחד ההתקדמות המשמעותית ביותר במדעי החומרים המורכבים בשני העשורים האחרונים.על ידי שילוב של יכולת התהליך והדחיסות הנמוכה של מזחלות פולימר עם המאפיינים המכניים יוצאי הדופן של צינורות פחמן, אלה מסובכים להשיג תכונות ביצועים כי לא ניתן לספק לבד.החומרים וכתוצאה מכך מציגים שיפורים משמעותיים בחוזק, קשיחות, חשמליות, ולעתים קרובות התנהגות תרמית, שהופכת יישומים אטרקטיביים ליישומים גמישים לתאים ליישומים רפואיים אטרקטיביים.

מבוא ל- Carbon Nanotubes

צינורות פחמן הם allotropes של פחמן עם מבנה nano cylindrical. הם מורכבים גליונות גרפן התגלגל לתוך cylinders חלקה, עם קוטרים על סדר nanometers ואורך אשר יכול להאריך מ מילימטרים. אטומי פחמן מסודרים ב hexagonal lattice, נותן CNTs תכונות מכניות יוצאת דופן נגזרת של אג"ח פחמן פחמן פחמן דו-פחמן.

אחד מהם מול Multi-Walled Carbon Nanotubes

nanotubes פחמן חד-קיר (SWCNTs) מורכב גליל גרפן יחיד עם קוטרים בדרך כלל בין 0.4 ו 3 ננומטרים. Multi-קיר פחמן nanotubes (MWCNTs) מכילים מספר רב של צילינדרים גרף מרוכזים הקן בתוך אחד אחר, עם קוטרים החל מ 1 עד 50 ננומטר או יותר. MWC הם בדרך כלל קל לייצר עלות יותר על בסיס פולימרוריד, אם כי הם בדרך כלל בשימוש יותר על בסיס מכני יותר, לעתים קרובות יותר.

תכונות מכניות בסיסיות של CNTs

צינורות פחמן בודדים יש תכונות מכניות יוצאות דופן.המודולו של יאנג שלהם עולה על 1 TPa, מה שהופך אותם אחד החומרים הידועים ביותר.עשרים ערכי כוח נעים טווח בין 50 ל -200 GPa, הרבה מעל פלדה גבוהה סטרית גבוהה. CNTs גם להפגין גמישות יוצאת דופן, מסוגל לעבור עיוותים גדולים ללא שבר.

יסודות של CNT Reinforcement בפולימרים

מנגנון חיזוק ב CNT-polymer מורכב באופן בסיסי מן התרכובות המסורתיות סיבים-reinforceed.בניגוד סיבים מיקרו-scale, CNTs יש יחסי היבטים גבוהים מאוד (יחסי אורך-ל-דממדיום מעל 1000) ואזורי פני השטח העצומים (עד 1300 מ'2/g) זה אומר שגם מטעני CNT קטנים יכולים ליצור ממשקים נרחבים עם הממטר הפוליגריצה, המאפשרים יעילים במתח.

אתגרים

המכשול העיקרי להשגת חיזוק יעיל הוא אטרקציה חזק ואן דר וואלס בין CNTs בודדים, אשר גורם להם לצבור לתוך חבילות.חבילות אלה לפעול כמצמי הלחץ להפחית את יחס ההיבט היעיל, הגבלת שיפורים בנכס.התגבר זה דורש טכניקות פיזור זהה המותאמים למערכת פולימר הספציפית.

האולטרסאונד משמש נרחב כדי לפרק את CNT agglomerates בפתרון או להמיס. עם זאת, ניתוח מוגזם יכול להזיק CNTs, להפחית את יחס היבט שלהם ולהציג פגמים מבניים (ההשלמה 3-roll) מציעה גישה יותר מדרגית לייצור מתפזרים עם פיזור אחיד תוך שמירה על אורך CNT.

ביננום ותפקוד

חיבור בין-גזעי חזק בין CNTs לבין ממטריקס פולימר הוא חיוני להעברת מתח יעילה.ללא קשר הולם, CNTs יכול למשוך מתוך המריצה תחת עומס, הגבלת חיזוק וצמצום יכולת העומס של המסובייק.

פונקציונליות קוהון כוללת הצמדת קבוצות פונקציונליות (כגון חומצות Carboxylic, amines או epoxides) ל- CNT או קצה. בעוד זה משפר את הקשר בין-גזעי, זה יכול להציג פגמים אשר להפחית את התכונות הפנימיות של CNTs. לא-covalentization משתמש בגולשים או פולימרים כי עוטפים סביב CNTs ללא שינוי המבנה שלהם, שמירה על תכונות מכניות ופירוק של תאימות בין CNT עם גישה בין CNT.

שיטות עיבוד

כמה שיטות עיבוד פותחו כדי לייצר פולימרים CNT-reinforced, כל אחד מציע יתרונות ומגבלות נפרדים:

  • (FLT:0) עיבוד של Solution עיבוד FLT:1 כרוך פיזור CNTs ב פותר, ערבוב עם פולימר מומס, והסרת המפלט. שיטה זו מציעה פיזור טוב אבל מוגבל לפולימרים סולדים-סוליים יכול להיות קשה בקנה מידה לייצור תעשייתי.
  • (FLT:0) מרש"ל (Melt ComplexingFLT:1) משתמש בציוד עיבוד פולימרים קונבנציונלי (extruders, מיקסרים פנימיים) כדי להפיץ CNTs בפולימרמרן מלוטין.זה הוא רלוונטי והיקף תעשייתי אבל לא יכול להשיג פיזור אופטימלי עבור יישומים ביצועים גבוהים.
  • (FLT:0) ב-Love פולימיזציה של פולימרטים 1:1 כרוך מונומרים פולימרים פולימרים בנוכחות CNTs, אשר יכול לשפר את הפיזור ואת הקשר בין-גזעי באמצעות שילוב אינטימי ברמה המולקולרית.
  • (FLT:0)Layer-by-layer ההרכבה של ההרחבה:1) יוצרת סרטים ננו-קומפוטים בעלי שליטה מדויקת על אוריינטציה CNT וטעינה, אם כי זהו תהליך איטי יותר המתאים ליישומים סרטניים מיוחדים.

תכונות מכניות של CNT Reinforced Polymers

התכונות המכאניות של CNT-polymer מורכב תלוי בגורמים הכוללים סוג CNT, טעינה, איכות פיזור, חיבור בין-גזעי ותנאי עיבוד.מחקר על פני שני העשורים האחרונים ביסס מגמות ברורות בשיפורי רכוש על פני מדדי ביצועים מכניים מרובים.

מניות Tensile Properties

בדיקות Tensile היא השיטה הנפוצה ביותר להערכת הביצועים המכניים של CNT מורכב.מחקרים מדווחים באופן עקבי על עלייה משמעותית במודולולוס של יאנג וחוזק Tenile עם תוספת של CNTs. לדוגמה, שילוב 1-5 wt% MWCNTs לתוך epoxy יכול להגדיל את המודולולים של יאנג על ידי 30–60% ועשרות כוח על ידי 20–20% בתרמופלסטיקה כמו CNT, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 כמו גם עלייה של חומרים דומים, 000, 000 של חומרים דומים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של חומרים דומים של חומרים דומים של חומרים דומים, 000, 000, 000, 000, 000 000 000 000, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

מידת חיזוק תלויה מאוד באיכות הפיזור. ובכן-dispersed CNTs בטענות נמוכות (הנמוך 1 wt%) יכול לייצר שיפורים לא פרופורציונליים עקב יחס הפן הגבוה שלהם ואזור בין-גזע גדול.בעומסים גבוהים יותר, הצטברות הופכת קשה יותר ויותר להימנע, ואת שיעור השיפורים בנכס לעתים קרובות או אפילו מופחת כמו CNTs פועל כמו מתח גבוה.

נוקשות והתנגדות

CNTs יעילים במיוחד בשיפור קשיחות השבירה במכמניות פולימריות.מנגנוני ההנעה כוללים סדקים, משיכת-out, סדקים השתקפות וצמיחה מפלסטיק.כאשר סדק מתפשט דרך המורכב, CNTs המשתרעים על פני הסדקים יכולים לגשר על פתח, הדורש אנרגיה נוספת עבור שבר.

במערכות epoxy, תוספת של 0.5-2 wt% CNTs יכול להגדיל את קשיחות השבעה (K IC) על ידי 40-80%. שיפור זה הוא בעל ערך במיוחד בדבקים מבניים ותרכובות אוויריות חלל שבו נזק הוא קריטי.ההיקף של הנוקשות תלוי באורך CNT, פיזור וכוח בין-גזעי - יותר CNTs עם קשרים חזקים יותר כדי לגרום למטריקס קשה לייצר שיפורים קשים יותר.

התנהגות שומנית

תחת עומס מחזורי, CNT-reinforced פולימרים התערוכה שיפרה את התנגדות העייפות בהשוואה לפולימרים מסודרים.CNTs מעכב את החניכה וההפצה של סדקים בעייפות באמצעות סדקים ועל ידי צמצום ריכוזים מקומיים מוזנים.מחקרים על CNT-reinforced epoxies ותרמוplastics הראו עלייה בחיים על ידי גורמים של 10-100 במתח מתון, המייצג יתרון עמידות משמעותית.

הביצועים של עייפות רגישים במיוחד לאיכות ממשק CNT-matrix. ממשקי Weak יכולים להוביל לדהור מתקדם תחת עומסים מחזוריים, צמצום היתרון לטווח ארוך.משטח פונקציונליזציה שיוצרת קשרים חזקים עם הממטריקס נוטה לייצר את ההתנגדות הטובה ביותר.בנוסף, נוכחות של CNTs יכולה להעלות את הסף - רמת הלחץ מתחת לעייפות שלא מתרחשת על ידי 20–0% במערכות פולימרונאות.

תכונות גילוח ו-Visoela Properties

CNTs יכול לשפר באופן משמעותי את ההתנגדות המצוקה של מטבוליות פולימר, צמצום עיוות תחת עומסים מתמשך.זה חשוב עבור יישומים שבהם יציבות ממדית היא קריטית, כגון רכיבים מדויקים או מבנים נושאי עומס.השרשרת פולימרים נוקשה CNTs מעצימה, צמצום קצב זרימת מולקולטיקה.Inpropylene ופוליאתילן, הפחתת מתח של 50–7 כבר דווח על 3.

ניתוח מכני דינמי (DMA) מגלה כי CNT שילוב מגביר את מודולי האחסון על פני טווח טמפרטורה רחב ויכול לשנות את טמפרטורת המעבר הזכוכית (T g) לערכים גבוהים יותר.אפקטים אלה מיוחסים להגבלת התנועה של שרשרת פולימרית על ידי רשת CNT.המודלים של אובדן והתנהגויות לחות משתנים גם עם CNT, עם שיא של עקומות האובדן לעתים קרובות לעבור לטמפרטורות גבוהות יותר.

השפעות

התכונות המכאניות של CNT מורכב מאוד anisotropic כאשר CNTs הם מיושר. Alignment ניתן להשיג באמצעות טכניקות עיבוד כגון ציור היתוך, אלקטרוסמנטינג, או היישום של שדות חשמליים או מגנטיים. Aligned CNT מורכב להראות כוח מקסימלי ונוקשות בכיוון ההיערכות, עם תכונות נמוכות בכיוון ההפוך.

במערכות מותאמות, מודולו של Tenile בכיוון ההיערכות יכול לגשת תחזיות תיאורטיות המבוססות על מודלים של הכלל-של-מיקס, במיוחד בהטענות CNT בינוניות.תואר ההיערכות ניתן לאפיין באמצעות טכניקות כגון ספקטרום רב-מקוטב ראמן, המספק מדד כמותי של התפלגות אוריינטציה CNT.

טכניקות אפיון

אופי נכון של פולימרים CNT-reinforced דורש טכניקות משלימים מרובות כדי להעריך מבנה, פיזור וביצועים מכניים:

  • (FLT:0) scanning אלקטרוני microscopy (SEM)veFLT) 1 מספק מידע על פיזור CNT, אוריינטציה, ושבר פני השטח מורפולוגיה. Backscattered אלקטרונים הדמיה יכול להדגיש אזורים CNT עשירים במטריקס פולימרומרי.
  • (FLT:0) Transmission אלקטרוני microscopy (TEM)BuildFLT:1) מציע פתרון גבוה יותר לבדיקת CNTs בודדים ואת ממשק שלהם עם ממטריקס, חושף פרטים של קשר ומבנה בין-phase.
  • (FLT:0)Raman spectroscopyofLT:1) יכול להעריך איכות CNT (באמצעות יחס G / D ללהקה) וכיוון, כמו גם את הלחץ להעביר יעילות באמצעות שינויים שיא תחת עיוות.
  • (FLT:0) ניתוח ה-Ermogravimetric (TGA) ReveFLT:1 מודד את תוכן CNT ואת יציבות תרמית של המסובך, מתן מידע על כמות חיזוק הנוכחי.
  • (FLT:0) ניתוח מכני מכני דינמי (DMA)BuildFLT:1) מעריך תכונות מולקולסטיות על פני טווחי טמפרטורה ותדירות, מתן מודולים אחסון, אובדן משתנים, והנתונים לחות.
  • (FLT:0) בדיקות מכניות של ההרחבה:1 כולל Tenile, flexural, Shear ו-שבר בדיקות מספק מדידות רכוש ישירות למטרות תכנון ובקרה איכות.

דרישות CNT Reinforced Polymers

השילוב של תכונות מכניות משופרות עם הטבות פונקציונליות (התנהגות חשמלית, ניהול תרמי) הוביל עניין רב בתעשיות רבות.כפי שתהליכי הייצור מתבגרים, אימוץ מסחרי ממשיך להתרחב.

אוויר והגנת

יישומים אוויריים דורשים חומרים עם כוח ספציפי, קשיחות ופגיעה סובלנות. CNT-reinforced פולימרים מציעים חיסכון במשקל בהשוואה לרכיבים קונבנציונליים תוך מתן קשיחות משופרת והתנגדות עייפות. יישומים כוללים לוחות מבניים, ירידים, רכיבים פנימיים, מבנים משניים. תוספת של CNTs מספקת גם התערבות אלקטרומגנטית (EMI) הגנה, אשר היא ערך להגנה על אלקטרוניקה רגישה ואלקטרוניקה עדכנית הראו כי יש 20 פרויקטים קריטיים שיכולים להפחית את המשקל של CNT- 30-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-הההה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה יכול גם מספק גם מספק גם מספק גם מחוספסת של חומרים מורכבים.

רכב

משקל אור הוא נהג מרכזי בתעשיית הרכב, שבו צמצום משקל הרכב משפר את יעילות הדלק ומפחית את פליטות. CNT מסובבים משמשים לוחות גוף, רכיבים מתחתיות, וחלקים מבניים.הנכסים המכניים המשופרים מאפשרים לסעיפים דקים ומשקלים נמוכים יותר תוך שמירה על הביצועים. CNT-reinforceed thermoplastics משמשים גם ביישומים ציור אלקטרוסטטי, שבו מוליכות חשמלית של רשת CNT מאפשרת לחתיכות ללא שלבים ישירים, ודרישה.

ספורט וכיף

יצרני ציוד ספורט אימצו פולימרים CNT-reinforced עבור יישומים שבהם כוח גבוה ומשקל נמוך הם חיוניים. rackets טניס, מסגרות אופניים, מועדוני גולף, מקלות הוקי, ועטלפים בייסבול משתמשים CNT כדי לשפר את הנוקשות, את ההתנגדות ואת עמידות.התכונות החמות של CNT מסובייקטים גם לספק שליטה משופרת, צמצום של היד ביישומים ספורט ואופניים.

מכשירים ביו-רפואיים

CNT-reinforced פולימרים נחקרים עבור יישומים ביו-רפואיים כולל רכיבים הסתברותיים, מכשירים מושתלים, ומכשירים הנדסת רקמות הנדסה רקמות.הנכסים המכניים יכולים להיות מותאמים כדי להתאים את תכונות פני השטח ניתן לשנות כדי לקדם ביו-קופטיות.מחקר הראה כי CNT-reinforceed Polyurethane ופוליאתילנות מורכבות יכול לספק התנגדות משופרת עבור פונקציות משותפות, כולל, כולל של CNT, אך ורקמות, דורשות, אך ורקמות, כולל חששות התפתחות ביולוגית.

אלקטרוניקה וניהול

השילוב של חיזוק מכני עם מוליכות חשמלית ותרמית הופך את CNT מורכב אטרקטיבי עבור יישומים אלקטרוניים.הם משמשים כיור חום, חומרי ממשק תרמי, ודיורים מוליכים חשמלית.הנכסים המכניים להבטיח שלמות מבנית בעוד רשת CNT מספקת את הביצועים הפונקציונליים. in Consumer Electronics, CNT מסובבים משמשים עבור קל משקל, מוליכים המספקים הגנה מכנית והגנת EMI.

פרספקטיבה ואתגרים עתידיים

למרות התקדמות משמעותית, כמה אתגרים נותרו בפיתוח ומסחר של פולימרים CNT-reinforced.כתובת בנושאים אלה תקבע את שיעור והיקף אימוץ השוק.

ייצור סקאלה

הפחתת CNT מורכב באיכות עקבית בקנה מידה תעשייתי נשאר מאתגר. שדרת Batch-to-batch באיכות CNT, קשיים בהשגת פיזור אחיד בתפוקה גבוהה, ואת העלות של תהליכים פונקציונליים כל המחסומים הנוכחיים. מראש ניטור פיזור באינטרנט ובקרת תהליך הם לעזור לטפל בנושאים אלה, עם טכניקות כגון מיקרוסקופיות אופטית, מדידות התנהגות חשמלית, ניטור rheological משולב לתוך קווי בקרה איכותיים.

שיקולים

CNTs נשאר יקר בהשוואה לממלאים קונבנציונליים כמו סיבים פחמן שחור או זכוכית, למרות שהמחירים ירדו משמעותית עם שיפורים ביכולת הייצור. MWCNTs זמינים כעת בעלויות דומות סיבים פחמן עבור כמה ציונים, עם מחירים ממשיכים לרדת כמו עלייה בנפח הייצור.ניתוח עלות עלות עלות-תועלת תלויה בדרישות היישום הספציפיות והאם היתרונות הרב-תפקודיים של CNTs יכולים להחליף חומרים או עיבוד מרובים, מתן חיסכון ברמת עלויות.

דאגות סביבתיות ובריאות

הרעילות הפוטנציאלית של CNTs, במיוחד כאשר הם שואפים כמו חלקיקים חופשיים, דורש ניהול זהיר במהלך הייצור ותהליך עיבוד מקצה החיים.תקנות לגבי טיפול CNT הופכות מחמירות יותר, עם מגבלות חשיפה של כיבוש שהוקמו במדינות רבות.פיתוח פרוטוקולים לטיפול בטוח ושילוב CNTs לתוך מטבוליות פולימר יציבה (אשר מפחית את הניידות שלהם ואת הזמינות) הם שיקולים חשובים עבור מחקרים מסחריים נדרשים כדי להבין את CNT השפעה מלאה של ניהול חומרים סביבתיים.

מחזור וקיימות

מחזור CNT-reinforced פולימרים מורכב על ידי הקושי להפריד את CNTs מן הממטריקס פולימרי.עבור תרכובות thermoplastic, מחזור מכני (שטיפה ושיקום) יכול להיות יעיל, אם כי כמה השפלה של פולימר ו CNTs עשויים להתרחש. מחקרים הראו כי אורך CNT ופיזור ניתן לשמור חלקית באמצעות מחזורים מרובים, שמירה על כמה יתרונות של פונקציות חלופיות עבור CNT פעיל התאוששות.

מודלים

ההתקדמות במודל חישובי הן לספק תובנות חדשות לתוך מערכות יחסים מתקדמות של CNT מורכב.דמיית סימולציה מולקולרית יכול לחזות את ההתנהגות של CNTs בודדים ואת ממשקיהם עם פולימרים, בעוד מודלים מיקרו-מכניים מתייחסים לנכסים מורכבים לפיזור CNT, אוריינטציה, ועיצוב מאפיינים בין-גזעיים.

מסקנה

ננו-tube מחזק פולימרים מייצגים מעמד בוגר אך עדיין מתפתח של חומרים מורכבים.שיפורים של רכוש מכני שניתן להשיג באמצעות חיזוק CNT - כוח מוגבר, קשיחות, קשיחות, עמידות עייפות וביצועים מצמררים - הוכחו בבירור על פני מגוון רחב של מערכות פולימרים פונקציונליות פונקציונליות ייחודית, בעוד אתגרים הקשורים לפיזור, אג"ח בין-גזעי, קיבולת, ולהישאר, מחקר ופיתוח מתמשך הם מטפלים באופן עקבי בתהליכים ביולוגיים מתאימים יותר ויותר, כמו גם בתהליכים תעשייתיים, כמו גם בתהליכים תעשייתיים, כמו פונקציונליות, כמו פונקציות תעשייתיות, כמו CNT קריטי, כמו גם פונקציות תעשייתיות, כמו פונקציות תעשייתיות, כמו פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, כמו פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, כמו פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, להמשיך פונקציות מורכבות יותר ויותר, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, כדי להמשיך לשחק יותר ויותר, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, כמו פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות מורכבות יותר ויותר, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות, פונקציות תעשייתיות