Вязкоупругость вуглецевих нанотрубок в широкому температурному діапазоні

Унікальні механічні характеристики вуглецевих нанотрубок (ВНТ) привертають інтерес інженерів і розробників до їх використання в якості основи матеріалів з поліпшеними властивостями. До числа найбільш цікавих механічних властивостей УНТ відноситься їх рекордна міцність на розтяг, досягає величин порядку терапаскалей, термічна стабільність, залежність електричних характеристик від механічного навантаження.

Нещодавно в Nanotube Research Center (Японія) була виявлена ще одна унікальна особливість УНТ, яка суттєво розширює перспективи прикладного використання цього матеріалу [1]. Мова йде про збереження в’язкопружних властивостей матеріалу на основі ВНТ на одному рівні в діапазоні температур від -196 до 1000оС. Для порівняння скажемо, що традиційні в’язкопружні матеріали, такі як силіконова гума та інші полімери, зберігають свої в’язкопружні властивості істотно більш вузькому температурному інтервалі, приблизно від -50 до 300оС.

Вихідний матеріал, що містить УНТ, був отриманий стандартним методом хімічного осадження парів (CVD) у присутності водяної пари. Аналіз показав, що матеріал містив дуже довгі (до 4.5 мм) довільним чином орієнтовані УНТ, з яких близько 68% були двошаровими, 22% – одношаровими і приблизно 10% – тришаровими. Вміст домішок не перевищувала 0.1 %. З метою виготовлення розгалуженої мережі УНТ, володіє підвищеною вязкоупругостью, зразки піддавали стиску, що призводило до підвищення їх щільності від 0.009 до 0.036 г/см3. Механічні випробування, виконані методом динамічного аналізу (ДМА), показали, що зразки витримують значні стиснення і розтягування, причому після зняття навантаження спостерігалося повільне повернення матеріалу в початковий стан.

Така поведінка вказує на наявність в’язкопружних властивостей зразка. Цікава особливість була виявлена при вимірюванні в’язкопружних властивостей зразка до і після стиснення. Відповідно до вимірів, збільшення щільності матеріалу в результаті стиснення супроводжується підвищенням модулів пружності зразка. Так, чотириразове збільшення щільності призводить до п’ятикратного збільшення модуля накопичення і десятикратного зростання модуля втрат. Величини зазначених параметрів практично не змінюються в діапазоні температур між -140 і 600оС. Оскільки використання методу ДМА обмежена температурою 600оС, для вимірювання в’язкопружних властивостей зразка в області більш високих температур використовували метод ізольованих вібрацій. Вимірювання показали, що відповідні параметри залишаються практично незмінними в діапазоні температур аж до 1200оС. Максимальна ступінь розтягування зразків, при якому деформація є оборотною, склала, відповідно до вимірів, 5%. Цей показник не залежить від температури в діапазоні від -140 до 600оС. Відносна ступінь розтягування, що призводить до руйнування зразка, становить близько 100%. Випробування зразків, що піддаються періодично змінюється навантаженні, показали, що при ступені розтягування на рівні 1% зразок витримує до мільйона циклів стиснення-розтягування з частотою до 100 Гц без помітних змін.

Подібні властивості досліджуваного матеріалу пояснюються його пористістю і високим ступенем невпорядкованості утворюють його нанотрубок. При розтягуванні багато нанотрубки витягуються вздовж напрямку навантаження, що забезпечує високі в’язкопружні властивості матеріалу не залежать від температури. Помітний вплив на ці властивості впливає контакт між сусідніми нанотрубками. Вандерваальсовское взаємодія між трубками в області контакту забезпечує високі міцнісні характеристики матеріалу. Повне число крапок контакту, оцінюваний з щільності матеріалу, оцінюється величиною 2·104 в розрахунку на одну нанотрубку. Як показують оцінки, цього достатньо для забезпечення виміряних величин модулів пружності матеріалу.

1. M. Xu et al., Science 330, 1364 (2010).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *