A szén nanocsövek által megerősített kompozitok funkciói és alkalmazásai

一. Bevezetés a szén nanocsövekhez

A szén nanocsövek (CNT -k) apró, csöves szerkezetek, amelyek grafén hengerbe gördítésével készülnek. A grafén hatszögletű gyűrűkben elrendezett szénatomokból áll. Ezek a csövek átmérője 0,4-50 nanométer. A CNT -k könnyűek, de nagyon erősek és tartósok. Erős szén -kötvények vannak, amelyek kiváló tulajdonságokat adnak nekik. Ők is ellenállhatnak a magas hőmérsékleteknek. A CNT-k három kategóriába sorolhatók: egyfalú szén nanocsövek (SWCNT), kettős falú szén nanocsövek (DWCNTS) és többfalú szén nanocsövek (MWCNT). Rendkívül nagy felületük és nagy képarányuk rendkívüli mechanikai szilárdságot (100 -szor nagyobb az acélnál), valamint a rézhez hasonló termikus és elektromos vezetőképességet eredményez számukra.

1. ábra. Az a) egyfalú szén nanocsövek és (b) többfalú szén nanocsövek vázlatos diagramja.

A szén nanocsövek (CNT -k) széles körű alkalmazásokkal rendelkeznek, amelyek különféle területeket fednek le, mint például az anyagtudomány, az energia, az elektronika, az érzékelők stb. A CNT -k kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, és széles körben használják a szén -kompozitokban és a CNT -ket tartalmazó kompozitokban. Ezzel szemben a hőképességek olyan alkalmazásokhoz használhatók, mint például a hőeloszlás. A nagy felületi/térfogatarány érzékelőként hasznossá teszi a CNT -ket, különösen az orvosbiológiai alkalmazásokban. Magas elektromos vezetőképességük miatt a CNT -k szuperkondenzátorként és működtetőként használhatók az elektronikában. Ezen túlmenően a CNT -k szkennelési szonda -tippekként is felhasználhatók a hidrogén tárolására, a nanoelektromechanikus eszközökre stb. A CNT -k orvosbiológiai alkalmazásai a szövettechnikától (a neuron növekedésének elősegítését) az erős és könnyű protézisek és a neuroprostikák fejlődéséig terjednek, mivel képesek elektromos aktív szövetekkel és kiváló rugalmasságukkal való kölcsönhatásuk miatt.

Három fő módszer létezik a szén nanocsövek előállítására: ív abláció, lézer abláció és kémiai gőzlerakódás (CVD). Az ív ablációs módszer, amelyet elsősorban SWCNT-k előállítására használnak, egyszerű és gyors, de nem alkalmas nagyszabású termelésre, és az ezzel a módszerrel előállított CNT-k számos hátrányt mutatnak, mint például az alacsony hozamszilárdság és a tisztítás nehézségei. A CVD alacsony hőmérsékleten és légköri nyomáson képes CNT -ket előállítani, és könnyen megvalósítható és olcsó. A CVD lehetővé teszi a CNT-k nagyméretű termelését, és a falak száma, átmérője, hossza és orientációja a növekedési folyamat során szabályozható. Egyedülálló molekuláris szerkezetük és a szénatomok rendkívül erős kötése miatt a CNT -k felülmúlják az összes meglévő szálakat, és széles körben tekintik a jövő szuperfiberének. Kivételes elektromos, termikus, mechanikai és kémiai tulajdonságaik miatt a CNT -k elektronikus és elektromos alkatrészekben, biofarmakon termékekben, kompozit anyagokban, kémiai érzékelőkben és más mezőkben alkalmazhatók. A CNT-k szintén fontos szerepet játszanak a fém alapú kompozitok, például magnézium, alumínium, réz, nikkel, titán és vason alapuló mechanikai, tribológiai, elektromos és termikus vezetőképesség javításában. A kerámia mátrixkompozitok (CMC) megerősítésére a szén nanocsövek is javíthatják szilárdságukat és javíthatják plasztikus deformációs képességüket. A CNT-vel megerősített FRP anyagokat széles körben használják a repülőgépiparban, az autóiparban, a tengeri mérnökben, a sporteszközökben és sok más területen.

1. Szén nanocsövek polimer kompozitok és megerősített kompozitok

A polimer kompozitok széles körű alkalmazásuk van, a mechanikai, termikus és elektromos tulajdonságok kiváló kombinációja miatt. A nanofelfutók hozzáadása a polimer gyantákhoz ígéretes tulajdonságokat biztosíthat az anyagok számára szinte minden területen. Például a szén nanocsövek (CNT), mint a polimer kompozitok megerősítése, szignifikánsan magasabb mechanikai szilárdságot és elasztikus modulust érhet el, összehasonlítva más nagy teljesítményű szálakkal, például Kevlar és szénszálakkal. Pontosabban, szakítószilárdságuk és elasztikus modulusuk eléri a 150 GPa -t és az 1 TPA ​​-t, erősebbé és merevebbé válik, mint az acél, miközben három -ötször könnyebbek. Az alábbi táblázat összefoglalja a CNT-polimer kompozitok legújabb kutatásait a különböző területeken.

图

Erősítésként a CNT-módosított kompozitok nemcsak javítják a mechanikai tulajdonságokat, hanem elektromos vezetőképességük és egyéb funkcionális tulajdonságaik is vonzóvá teszik őket a gyakorlati mérnöki alkalmazásokhoz. Számos új intelligens anyag, a szén nanocsövek kivételes szilárdságával és merevségével, a szén nanocsövek közelmúltbeli fejlesztésével kiváló minőségű megerősítésként szolgálhat, jelentősen javítva a megerősített műanyagok közötti interlamináris kötést. Ez a többszörös, multifunkcionális megerősítés nemcsak kihasználja a CNT-k kivételes mechanikai tulajdonságait, hanem megőrzi a hagyományos szál-megerősített anyagok kiváló tulajdonságait is, miközben hozzáadja a nanomatermékek funkcionális tulajdonságait (vezetőképesség, érzékelés és hőtálló). Ez az anyag alkalmas komplex terhelési környezetekhez, amelyek magas interlamináris kötési szilárdságot igényelnek a megerősített műanyagokban, például madárütések, leesett szerszámok (ütési terhelések) és a szélturbina pengék ciklikus forgása (fáradtságterhelés). Ezenkívül ez a könnyű, nagy szilárdságú anyag hatékonyan javíthatja az energiahatékonyságot a gyakorlati alkalmazásokban.

二.

1. Elektronikus alkalmazások

A szén nanocsövek-polimer kompozitok alkalmazása az elektronikai mezőben, különösen az elektronikus eszközök fejlesztése során, gyorsan megjelenik. A testreszabott elektromos tulajdonságokkal rendelkező fejlett anyagok iránti növekvő igény miatt a szén nanocsövek a legvonzóbb nanomatermékekké teszik az elektromos és elektronikus eszközöket. A szén nanocsövek-polimer kompozitok szintén nagyon hasznosak a napelemek előállításában. Az elasztikus szén nanocsövek-polimer kompozitok nagy potenciállal bírnak az új fotovoltaikus cellák előállítására, szitanyomás technológiával. A szén nanocsövek-polimer kompozitok magas optikai transzmittanciájúak és olcsóak. A nanokompozitok javították a rugalmas tulajdonságokat és szignifikánsan továbbfejlesztett optikai és elektromos paraméterekkel, így potenciálisan napelemek bevonásaként való felhasználásra.

2. Repülőgépalkalmazás alkalmazások

A repülőgépiparnak rendkívül erős és tartós anyagokat kell beágyazni, mint alkatrészek a repülőgép -berendezésekbe. A szén nanocsövek (CNT) különféle tulajdonságai miatt az űrmező kutatói aktívan tanulmányozzák a szén nanocsövek kompozitjait az epoxi -gyanta kompozitok elektromos tulajdonságainak javítása érdekében. Ezért a szén nanocsövek-polimer kompozitok döntő jelentőségűek az űrmezőben, mivel szerkezeti tulajdonságaik alkalmazhatók olyan mezőkre, mint a radiális védekezők, a statikus anyagok és az űrhajó. 2006 óta a szén nanocsövek által erősített epoxi-polimer kompozitokat széles körben használják a repülőgép/űrhajó kutatásában és fejlesztésében. A szén nanocsövek egy feltörekvő fejlett anyag, amely a struktúrákat könnyű, magas hőmérsékletű ellenálló és nagy szilárdság-súly arányúvá teheti. A CNT-erősített polimer kompozitok hőelnyelő tápközegként használhatók, például elektromágneses hullám-abszorbensként az űriparban.

3. Autóipari alkalmazások

Az autóiparban a nanokompozitok, különösen a szén nanocsövek (CNT) kompozitjai számos előnyt kínálnak, ideértve a meglévő technológiák fejlesztését is. A szén nanocsövek által megerősített polimer kompozitok használhatók autóipari alkatrészekben, ideértve a kipufogó rendszereket, a katalitikus konvertereket, a felfüggesztési és fékrendszereket, az elektronikus berendezéseket, a motorokat, az erőátviteli anyagokat és a testrészeket. A hagyományos töltőanyagokat, például a csillámot, a kalcium -karbonátot és a talkumot széles körben használják az autóalkatrészekben az olvadék viszkozitásának, az optikai tisztaságának és a merevségnek a javítása érdekében. Például az üvegszál nagy merevsége miatt vezettek be, de gyártása nehéz, ami magas termelési költségeket eredményez. Ezenkívül magas koncentrációban kell hozzáadni a hagyományos töltőanyagokat és az üvegszálakat, hogy javítsák a méret stabilitását, növeljék a mechanikai modulust és fokozzák a felület minőségét. Ezért a CNT-polimer kompozitok bevezetése ebben az iparágban segíthet ezeknek a kihívásoknak a kezelésében a hagyományos töltőanyagokkal.

Megállapítottuk, hogy a CNT-polimer kompozitok nagy szilárdság-súly arányúak, ezért a könnyűsúlyú autók csökkenthetik az üzemanyag-fogyasztást. Ez csökkenti a járművek szén -dioxid -kibocsátását, segítve a globális felmelegedést. A jármű súlyának 25% -os csökkenése évente akár 250 millió hordóval csökkentheti a nyersolaj -fogyasztást. Számos autógyártó már nanokompozitokat használ a csomagtartó fedeleiben, autóülésekben, műszerfal burkolatában és tetőkben.

Ezenkívül az MWCNT -k hozzáadása az epoxi -kompozitokhoz javíthatja a mátrix adhéziós szilárdságát, ezáltal segítve a víz abszorpciójának csökkentését, javíthatja a hidrofób jellegét és a korrózióállóságot.

4. Érzékelők

A CNT-vel megerősített polimer kompozitok erőteljes képességgel rendelkeznek a levegőben lévő vegyi anyagok észlelésére, potenciálisan lehetővé teszik a különféle alkalmazásokat. Kiváló gázmolekula -érzékelési képességeik javíthatják az űrkutatást, a környezeti megfigyelést, valamint az orvosi, ipari és mezőgazdasági alkalmazásokat. Például ipari és orvosi környezetben a környezetszennyezés megfigyelése szükséges a szén -monoxid, a nitrogén -oxidok és az ammónium kimutatására.