Karbon nanotube (CNT) takviye polimerler, son iki yılda kompozit malzemeler biliminde en önemli gelişmelerden birini temsil eder.Uzmanlık ve düşük polimer matrikslerin proses edilebilirliğini birleştirerek, karbon nanotüplerin olağanüstü mekanik özellikleri ile birlikte, bu kompozitler, performans özelliklerini tek başına sağlayamazlar.

Karbon Nanotüplere Giriş

Karbon nanotüpleri, bir silindirik nanoyapı ile karbonun tümotropesleridir.Sekse kadar uzatabilecek nanometreler ve uzunluklar sıra dışı bir hexagonal lattice ile CNTs olağanüstü mekanik özelliklerden oluşur.

Tek Parçalı Karbon Nanotüpsiyonları

Tek duvarlı karbon nanotüpleri (SWCNTs) 1 ila 50 nanometreden veya daha düşük maliyetle üretilen tek bir grafikten oluşur ve polimer takviyelerinde daha yaygın olarak kullanılır.

CNTs'in temel mekanik özellikleri

Bireysel karbon nanotüpleri olağanüstü mekanik özelliklere sahiptir. Gençlerinin modları 1 TPa'yı aşıyor, onları en sert bilinen malzemelerden biri haline getiriyor. 50 ila 200 GPa arasında, yüksek güçlü çelikleri aşarak, büyük deformasyonları kırılabilir.

Polimerlerde CNT Dondurmalarının Temelleri

CNT-polimer kompozitlerindeki takviye mekanizması temel olarak geleneksel fiber-reinforced kompozitlerden farklıdır. Mikro ölçekli fiberlerden farklı olarak, CNTs çok yüksek bir noktaya sahiptir (uzundan fazla) ve büyük yüzey alanları (yaklaşık 1300 m2/g). Bu, CNTs'in küçük yüklemelerinin bile nano ölçekli fiberler ile geniş arayüzler oluşturabileceği anlamına gelir.

Dispersion Challenges

Etkili bir güçlendirmeye yönelik birincil engel, bireysel CNTs arasında güçlü van der Waals çekimdir, bu da onları paketlere akmasına neden olur.Bu paketler stres koncentratörler olarak hareket eder ve etkili yönü azaltır, limitli mülk iyileştirmeleri gerektirir.

Ultrasonikasyon, CNT'yi korumak için kompozitler üretmek için yaygın olarak kullanılır. Bununla birlikte, aşırı oğulikasyon CNT'lere zarar verebilir, yapısal hataları azaltmak ve yapısal hataları tanıtmak için kullanılır. Calendering (üç kayıt değirmeni), CNT uzunluğuna bağlı olarak, üniformalı dağıtım yöntemi ile üretilen kompozitler üretmek için daha ölçeklenebilir bir yaklaşım sunar.

Interfacial Bonding ve Fonksiyonelizasyon

CNTs ile polimer matrix arasındaki güçlü interfacial bağ, etkili bir stres transfer için gereklidir. Yeterli bağlantı olmadan, CNTs, yükleme altındaki matrixten çıkarabilir ve kompozitin yük taşıma kapasitesinin azaltılmasını sağlar. Yüzey fonksiyonelleştirme bunu, polimer ile bağlayabilecek CNT yüzeyine bağlar.

Covalent işlevselizasyon, işlevsel grupları (örneğin, karboksiyonik asitler, amineler veya epoksitler) CNT yan duvarları veya uçları bozmadan, bu, konvalent ve non-kovalent olmayan yaklaşımlar arasındaki hataları ortaya koyarken, CNT'lerin geçici gücü ve CNT'leri belirli uygulamalarını bozan CNT'leri temizler.

İşleme Yöntemleri

CNT-reinforced polimerleri kumaşlama için çeşitli işlem yöntemleri geliştirildi, her biri farklı avantajları ve sınırlamaları sunuyor:

  • [FONT:0) Solution processing[[[Dönetici:0)) Çözme işlemi, Çözülen polimer ile karıştırılan CNT'leri bir çözücüde dağıtır ve bu yöntem iyi bir dağıtım sağlar, ancak çözücü polimerler için sınırlı ve endüstriyel üretim için ölçeklenebilir.
  • [FONTS:0]Melt bileşikleme[Dönetici:0) Geleneksel polimer işleme ekipmanlarını (ektör, iç karıştırıcılar) molten polimerde CNTs dağıtmak için kullanır. ölçeklenebilir ve endüstriyel olarak alakalı ancak yüksek performanslı uygulamalar için optimal bir dağıtım elde edemez.
  • [FONT:0]In situ polimerizasyon[[Dönetici:0) CNTs'in varlığında polimerleşmek, bu yaklaşım, moleküler düzeydeki samimi karışım yoluyla dağıtım ve iç bağ geliştirmektir.
  • [FONT=0]Layer-by-katlı montaj), CNT yönlendirmesi ve yükleme üzerinde kesin kontrol ile nanokompozit filmlerini oldukça sipariş etti, ancak özel ince film uygulamaları için daha uygun bir süreçtir.

CNT Betonlu Polimerlerin Mekanik Özellikleri

CNT-polimer kompozitlerinin mekanik özellikleri, CNT tipi, yükleme, dağıtım kalitesi, interfacial bağ ve işleme koşulları dahil faktörlere bağlıdır. Son iki yılda araştırma, birden fazla mekanik performans ölçümlerinde mülk geliştirmelerinde net eğilimler yaratmıştır.

Çekme Özellikler

Mekanik CNT kompozitlerinin mekanik performansını değerlendirmek için en yaygın yöntemdir. Araştırmalar, % 30–60 oranında genç modulus ve çekme gücünde CNTs ekinde önemli artışlar bildirmektedir. Örneğin,% 1-5 wt% MWCNTs dahil epoxy,% 30-60 oranında Young'ın değiştirici gücünü arttırabilir ve% 20-40 oranındaki ısıtılabilir.

Güçlendirmenin boyutu, yüksek yüklemelerde, agglomerasyondan kaçınmak için giderek zorlaşmaktadır (daha düşük yük % 1 wt) yüksek yönleri ve büyük interfacial alanı nedeniyle kesintiler üretebilir.Daha yüksek yüklemelerde, agglomerasyon daha sık sık platolar veya daha fazla mal iyileştirme oranı genellikle platolar veya hatta en az% 1 wt% olarak azalır.

Fracture Sertlik ve Etki Direnişi

CNTs özellikle de sert polimer matrikste kırıklığı geliştirmekte etkilidir. Sertleştirici mekanizmalar çatlakları kırarak, çatlakları kırarak, CNT-matrix arayüzünden uzaklaştırır.

Epoxy sistemleri, 0,5-2 wt% CNTs'in eklenmesi, % 40-80 oranında kırılma sertliği artırabilir. Bu gelişme özellikle yapısal yapıştırıcılar ve uzay kompozitleri bakımından önemlidir. Sertleşmenin boyutu, dağıtım ve iç güçlere bağlıdır - daha uzun CNTs matrixe daha sert bir bağ üretme eğilimindedir.

Şükrü Davranışı

Çevrimdışı yükleme altında, CNT-reinforced polimerler, neat polimerleri ile karşılaştırıldığında yorgunluk direncini geliştirdiler. CNTs, çatlakları çatlakları çatlakları çatlakları çatlakları çatlakları çatlakları çatlakları çatlakları çatlakları çatlakları çatlakları çatlakları sertleştirerek ve yerelleştirilmiş stres konsantrasyonlarını azaltarak, CNT-reinforce epoxies ve termoplastikler üzerinde çalışmalar, 10-100'ün orta stres faktörlerine göre yorgunluk hayatında 10-100'ün faktörleri ile artış gösterdi.

Yorgunluk performansı özellikle CNT-matrix arayüzü kalitesi ile hassastır. Weak arabirimleri, döngü yükleri altında ilerici bir şekilde kesintiye yol açabilir, uzun vadeli fayda sağlar. Yüzey fonksiyonelleştirme, matrixle güçlü bir eşdeğerli bağlar yaratan, en iyi yorgunluk direncini üretmeye eğilimlidir. Ek olarak, CNTs'in varlığı - yorgunluk eşiğinin altında yatan stres seviyesi - bazı polimer sistemlerinde 20-40%.

Creep ve Viscoelastic Özellikler

CNTs, polimer matrikslerin sürüklü direncini önemli ölçüde artırabilir, sürekli yüklerin altında deformasyonu azaltır. Bu, boyutsal istikrarın kritik olduğu uygulamalar için önemlidir, hassas bileşenler veya yük taşıma yapıları gibi.Zengin CNTs Sınırlı polimer zinciri hareketliliğini azaltır, kompresyon ve polinerjik akış oranını azaltır.

Dinamik mekanik analiz (DMA) CNT bağlantısını genişletdiğini ve CNT bağlantısını genişletdiğini ve CNT modunu sık sık sık yüksek sıcaklıklara geçiş yaparak değiştirebilir.

Yönelme Etkileri

CNT kompozitlerinin mekanik özellikleri, CNTs'in uyumlu olduğu zaman son derece anisotropiktir.Egotropik çizim, elektrospinning veya elektrik veya manyetik alanların uygulama gibi işleme teknikleri ile kullanılabilir. Aligned CNT kompozitleri, transverse yöndeki daha düşük özelliklerle, doğrusal olmayan yapısal elementler gibi belirli yükleme koşulları için optimize edilebilir.

Paralel sistemlerde, eğim yönündeki çekme modu teorik tahminlere, özellikle de orta CNT yüklemelerinde, kutuplaşmış Raman spektroskopi gibi teknikleri kullanarak karakterize edilebilir, bu da CNT yönelim dağılımının nicel bir ölçüsini sağlar.

Karakterizasyon Teknikleri

CNT-reinforced polimerlerin Proper karakterizasyonu, yapıyı, dağılımı ve mekanik performansı değerlendirmek için çok tamamlayıcı teknikler gerektirir:

  • [FONT:0)Scanning elektron mikroscopy (SEM)), CNT dağılımı, yönelim ve kırık yüzey morfolojisi hakkında bilgi sağlar. Backscattered elektron görüntüleme, CNT-rich bölgeleri polimer matrixinde vurgulayabilir.
  • [FONT:0)Transmission elektron mikroscopy (TEM)), bireysel CNTs ve arayüzlerini matrixle incelemek için daha yüksek bir karar sunar, bağ ve arafa yapı ayrıntıları.
  • [FONT=0]Raman spektroskopi[DDG/D grubu oranı ile) ve yönelimi, deformasyon altında zirve geçiş verimliliğinin yanı sıra, G-band değişim oranı ile birlikte, interfacial stres transferleri ile ilişkili olarak değişebilir.
  • [FONT=0]Thermogravimetrik analiz (TGA)) CNT içeriği ve kompozitin termal stabilitesi, mevcut takviye miktarı hakkında bilgi sağlar.
  • [FONT:0]Dynamic mekanik analiz (DMA)), sıcaklık ve frekans aralıkları üzerinde vitreus özelliklerini değerlendirmek, depolama modları sağlamak, kayıp modulus ve damping verileri sağlamak.
  • [FONT:0]Mechanical testing[[Dönetici, flexural, shear ve kırık testler tasarım ve kalite kontrol amaçları için doğrudan mülk ölçümlerini sağlar.

CNT Donmuş Polimerlerin Uygulamaları

Mekanik özellikleri fonksiyonel faydaları ile gelişmiş mekanik özelliklerin kombinasyonu (elektriksel iletkenlik, termal yönetim) birden çok endüstriye ilgi gösterdi. Üretim süreçleri olgun olarak, ticari kabul genişleme devam ediyor.

Havacılık ve Savunma

Havacılık uygulamaları, yüksek özel güç, sertlik ve hasar toleransı ile malzeme talep eder. CNT-reinforced polimerler, hassas aviyonlar ve elektronikler sağlamak için değerli olan, CNT kompozitleri ve yorgunluk direncini artırmışken, yapısal paneller, fuarlar, iç bileşenler ve ikincil yapılara kıyasla% 20-30 oranında azaltılabilir.

Otomotiv Otomotiv Otomotiv Otomotiv

Hafifleme, otomotiv endüstrisinde büyük bir sürücü, araç ağırlığının yakıt verimliliğini azalttığı ve emisyonları azalttığı yerdir. CNT kompozitleri vücut panellerinde, alt bileşenlerde ve yapısal parçalarda doğrudan resimde kullanılabilir.

Spor ve Spor

Spor ekipman üreticileri, yüksek güç ve düşük ağırlıkların temel aldığı uygulamalar için CNT-reinforced polimerleri benimsemiştir. Tenis rafları, bisiklet çerçeveleri, golf kulüpleri, hokey çubukları ve beyzbol yaraları CNT kompozitlerini sertlik, etki direnci ve dayanıklılık geliştirmek için kullanır.

Biyomedikal Cihazlar

CNT-reinforced polimerler, prosthetic bileşenleri, implantable cihazlar ve doku mühendisliği scaffolds. Mekanik özellikler, her uygulama için CNT toksisitesi için dikkatli bir değerlendirme gerektirirken, CNT-reinforced poliurethane ve poliretin kompozitleri de ortak yedek yatakları için geliştirilmiş direnç sağlayabilir. Ancak, biyolojik ortamlarda CNT toksisitesi hakkında endişeler, özel uygulamalar için dikkatli bir değerlendirme gerektirir ve CNT'lerin dahil edilmesi için yasal yollar kullanılabilir.

Elektronik ve Termal Yönetim

Mekanik takviyenin elektrik ve termal iletkenlik ile kombinasyonu, CNT kompozitleri elektronik uygulamalar için cazip hale getirir. Hem mekanik koruma hem de EMI koruyucusu sağlar. Mekanik özellikler, CNT ağının işlevsel performansı sağlarken yapısal bütünlüğü sağlar.In tüketici elektronik, CNT kompozitleri hem de hafif, sert koruma ve EMI koruyucuları sağlar.

Future Perspectives ve Challenges

Önemli ilerlemeye rağmen, CNT-reinforced polimerlerin geliştirilmesi ve ticarileştirilmesinde birkaç zorluk kalır. Bu konuların ele alınması piyasa kabul oranı ve kapsamını belirleyecektir.

Scalable Manufacturing

CNT kompozitlerini endüstriyel ölçeklerde tutarlı kalitede azaltın, bu sorunları ele almaya yardımcı olur, optik mikrocopy, elektrik iletkenliği ölçümleri ve gerçek zamanlı kalite kontrolü için üretim hatlarına entegre edilme zorlukları.

Maliyetleri

CNTs, karbon siyah veya cam elyaf gibi geleneksel dolgularla kıyaslanmış durumda, ancak fiyatlar üretim kapasitesinde önemli ölçüde azaldı. MWCNTs şimdi bazı derecelere kıyasla karbon fiberlere kıyasla kullanılabilir, fiyatlar üretim hacminin artırılmasına devam eder.

Çevre ve Sağlık Endişeleri

CNT'lerin potansiyel toksisitesi, özellikle de serbest parçacıklar olarak ortaya çıktığında, üretim ve son yaşam işleme sırasında dikkatli yönetim gerektirir. CNT kullanımı ile ilgili düzenlemeler, birkaç ülkede kurulmuş olan iş dışı limitleri ile ilgili olarak daha sıkı hale gelir. Güvenli işlem protokolleri geliştirmek ve CNT'leri stabil polimer matrislere dahil etmek (reternasyonlarını ve biyoya darebilitelerini azaltır) sorumlu ticarileşme için önemli düşüncelerdir.

Geri dönüşüm ve sürdürülebilirlik

CNT-reinforced polimerler, CNT'lerin polimer matrisinden ayrılmasının zorlandığı için karmaşıktır.In termoplastik kompozitler, mekanik geri dönüşüm (geçmiş ve yeniden işleme) etkili olabilir, ancak bazı polimerlerin ve CNT'lerin bozulması ve dağıtımın, bazı mülk yararlarını korumak için birden fazla yeniden işlemeden kısmen muhafaza edilebilir.

C ⁇ Modeling

Hesaplama modellemedeki ilerlemeler, CNT bileşiklerinin yapısına yeni öngörüler sağlar. Moleküler dinamik simülasyonlar bireysel CNT'lerin davranışını ve polimerlerle arayüzlerini tahmin edebilir, mikromekanik modeller özellikle CNT dağıtım, yönlendirme ve interfacial özellikleri ile ilgili olarak ilgilidir. Bu araçlar, kapsamlı deneysel deneme-ve-teröre olan ihtiyacı azaltarak optimize edilmiş kompozit formülasyonların gelişimini hızlandırabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Karbon nanotüp takviye polimerler henüz yenilenen kompozit malzemeler sınıfını temsil ediyor. Mekanik mülk iyileştirmeler CNT takviyesi ile uygulanabilir - güç, sertlik, yorgunluk direnci ve ürpertici performansı - yüksek oranda polimer sistemleri ile ilgili sorunlarla açık bir şekilde gösterilmiştir.Aktif bağ, ölçeklenebilirlik ve maliyet sürekli olarak bu engelleri ele alıyor. Üretim süreçleri olgun ve maliyetler, yorgunluk, yorgunluk, yorgunluk, ve performansları - CNT-reinforced polimerler, uzay aracı, otomotiv, biyomedikal uygulamalarla ilgili daha önemli bir rol oynamaya devam ediyor.