Funkcje i zastosowania kompozytów wzmocnionych nanorurem węglowym

一. Wprowadzenie do nanorurek węglowych

Nanorurki węglowe (CNT) to małe, rurowe struktury wykonane przez toczenie grafenu w cylindrze. Grafen składa się z atomów węgla ułożonych w sześciokątnych pierścieniach. Rury te mają średnicę od 0,4 do 50 nanometrów. CNT są lekkie, ale bardzo mocne i trwałe. Mają silne wiązania węglowe, które dają im doskonałe właściwości. Mogą również wytrzymać wysokie temperatury. CNT można podzielić na trzy kategorie: jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT), dwuciarne nanorurki węglowe (DWCNT) i wielościenne nanorurki węglowe (MWCNT). Ich wyjątkowo wysoka powierzchnia i duży współczynnik kształtu nadają im niezwykłą wytrzymałość mechaniczną (100 razy większą niż stal) oraz przewodność termiczna i elektryczna podobna do miedzi.

Ryc. 1. Schemat schematy (a) jednościennych nanorurek węglowych i (b) wielościennych nanorurek węglowych.

Nanorurki węglowe (CNT) mają szeroki zakres zastosowań, obejmujących różne dziedziny, takie jak materiały, energia, elektronika, czujniki itp. CNT mają doskonałe właściwości mechaniczne i są szeroko stosowane w kompozytach węglowych i kompozytach zawierających CNT jako wypełniacze. I odwrotnie, jego właściwości termiczne mogą być używane do zastosowań takich jak rozpraszanie ciepła. Wysoki stosunek powierzchni/objętości sprawia, że ​​CNT są przydatne jako czujniki, szczególnie w zastosowaniach biomedycznych. Ze względu na ich wysoką przewodność elektryczną CNT mogą być stosowane jako superkondensatory i siłowniki w elektronice. Oprócz tego CNT mogą być również stosowane jako sondy skanujące do przechowywania wodoru, urządzenia nanoelektromechaniczne itp. Biomedyczne zastosowania CNT wahają się od inżynierii tkankowej (promujące wzrost neuronu) po rozwój silnej i lekkiej protetyki i neuroprofetyki i neuroprofetyki z powodu ich zdolności do oddziaływania z elektrycznie aktywnymi i ich elastycznością.

Istnieją trzy główne metody wytwarzania nanorurek węglowych: ablacja łuku, ablacja laserowa i chemiczne osadzanie pary (CVD). Metoda ablacji ARC, stosowana głównie do produkcji SWCNT, jest prosta i szybka, ale nie nadaje się do produkcji na dużą skalę, a CNT wytworzone tą metodą wykazują wiele wad, takich jak wytrzymałość na niską wydajność i trudności w oczyszczaniu. CVD może wytwarzać CNT w niskich temperaturach i ciśnieniu atmosferycznym oraz jest łatwy w wdrożeniu i niedrogim. CVD pozwala na produkcję CNT na dużą skalę, a liczbę, średnicę, długość i orientację ich ścian można kontrolować podczas procesu wzrostu. Ze względu na ich unikalną strukturę molekularną i wyjątkowo silne wiązanie między atomami węgla, CNT przewyższają wszystkie istniejące włókna i są powszechnie uważane za superfiburę przyszłości. Ze względu na ich wyjątkowe właściwości elektryczne, termiczne, mechaniczne i chemiczne, CNT mają zastosowanie w elementach elektronicznych i elektrycznych, produktach biofarmaceutycznych, materiałach kompozytowych, czujnikach chemicznych i innych dziedzin. CNT odgrywają również ważną rolę w poprawie przewodności mechanicznej, trybologicznej, elektrycznej i cieplnej kompozytów na bazie metali, takich jak te oparte na magnezie, aluminium, miedzi, niklu, tytanu i żelaza. Jako wzmocnienie ceramicznych kompozytów macierzy (CMC), nanorurki węglowe mogą również poprawić swoją wytrzymałość i zwiększyć zdolność deformacji plastiku. Materiały FRP wzmocnione przez CNT są również szeroko stosowane w lotnisku, inżynierii motoryzacyjnej, inżynierii morskiej, sprzęcie sportowym i wielu innych dziedzinach.

1. Kompozyty polimerowe nanorurki węglowej i wzmocnione kompozyty

Kompozyty polimerowe mają szeroki zakres zastosowań ze względu na ich doskonałą kombinację właściwości mechanicznych, termicznych i elektrycznych. Dodanie nanowłókien do żywic polimerowych może zapewnić obiecujące właściwości materiałów na prawie wszystkich dziedzinach. Na przykład nanorurki węglowe (CNT) jako wzmocnienia w kompozytach polimerowych mogą osiągnąć znacznie wyższą wytrzymałość mechaniczną i moduł sprężystości w porównaniu z innymi włóknami o wysokiej wydajności, takimi jak Kevlar i włókna węglowe. W szczególności ich wytrzymałość na rozciąganie i elastyczny moduł osiągają odpowiednio 150 GPa i 1 TPA, co czyni je silniejszymi i sztywniejszymi niż stal, a jednocześnie trzy do pięciu razy lżejsze. Poniższa tabela podsumowuje najnowsze badania kompozytów CNT-polimerowych w różnych dziedzinach.

图

Jako wzmocnienia kompozyty zmodyfikowane CNT nie tylko poprawiają ich właściwości mechaniczne, ale ich przewodność elektryczna i inne właściwości funkcjonalne sprawiają, że są bardzo atrakcyjne do praktycznych zastosowań inżynierskich. W przypadku niedawnego rozwoju wielu nowych inteligentnych materiałów nanorurki węglowe, z ich wyjątkową wytrzymałością i sztywnością, mogą służyć jako wysokiej jakości posiłki, znacznie poprawiając wiązanie interlaminarne między wzmocnionymi tworzywami sztucznymi. To wielofunkcyjne, wielofunkcyjne wzmocnienie nie tylko wykorzystuje wyjątkowe właściwości mechaniczne CNT, ale także zachowuje doskonałe właściwości tradycyjnych materiałów wzmocnionych włóknami, jednocześnie dodając właściwości funkcjonalne nanomateriałów (przewodność, wykrywanie i odporność cieplna). Materiał ten jest odpowiedni dla złożonych środowisk ładowania wymagających wysokiej siły wiązania międzybłoniowego w żelbowych tworzywach sztucznych, takich jak strajki ptaków, upuszczone narzędzia (obciążenia uderzeniowe) i cykliczny obrót łopat turbiny wiatrowej (obciążenia zmęczeniowe). Ponadto ten lekki materiał o wysokiej wytrzymałości może skutecznie poprawić efektywność energetyczną w praktycznych zastosowaniach.

二. Pola aplikacji kompozytów nanorurki węglowej

1. Zastosowania elektroniczne

Zastosowanie kompozytów nanorurko-polimerowych w dziedzinie elektroniki, szczególnie w rozwoju urządzeń elektronicznych, szybko się pojawia. Rosnące zapotrzebowanie na zaawansowane materiały o dopasowanych właściwości elektrycznych sprawia, że ​​nanorurki węglowe są najbardziej atrakcyjnym nanomateriałem dla urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Kompozyty nanorurtu węglowego-polimeru są również bardzo przydatne w przygotowaniu ogniw słonecznych. Elastyczne kompozyty nanorurka-polimerowe mają duży potencjał do produkcji nowych komórek fotowoltaicznych za pomocą technologii drukowania sitodruk. Kompozyty nanorurkań węglowych-polimer mają wysoką transmitancję optyczną i są wytwarzane przy niskich kosztach. Nanokompozyty poprawiły właściwości sprężyste i znacznie wzmocniły parametry optyczne i elektryczne, co czyni je potencjalnie stosowanymi jako powłoki ogniw słonecznych.

2. Zastosowania lotnicze

Przemysł lotniczy wymaga niezwykle mocnych i trwałych materiałów, aby osadzić się jako elementy w sprzęcie lotniczym. Ze względu na różne właściwości nanorurek węglowych (CNT) naukowcy w polu lotniczym aktywnie badają kompozyty nanorurki węglowej w celu poprawy właściwości elektrycznych kompozytów żywicy epoksydowej. Dlatego kompozytów nanorurtu węglowego-polimer są kluczowe w polu lotniczym, ponieważ ich właściwości strukturalne można zastosować do pól, takich jak ochraniacze anty-radiowe, materiały przeciwstatyczne i statek kosmiczny. Od 2006 r. Kompozyty polimerów epoksydowych wzmocnione na nanorotówkach węglowych były szeroko stosowane w badaniach i rozwoju lotniczym/statku kosmicznym. Nanorurki węglowe to wschodzący zaawansowany materiał, który może sprawić, że struktury są lekkie, odporne na wysoką temperaturę i mieć wysoki stosunek wytrzymałości do ważności. Kompozyty polimerowe wzmocnione przez CNT mogą być stosowane jako pożywki pochłaniające ciepło, na przykład jako absorbery fali elektromagnetyczne w branży lotniczej.

3. Aplikacje motoryzacyjne

W sektorze motoryzacyjnym nanokompozyty, zwłaszcza kompozyty nanorurki węglowej (CNT), oferują wiele korzyści, w tym ulepszenia istniejących technologii. Kompozyty polimerowe wzmocnione nanoroturami węglowymi mogą być stosowane w komponentach motoryzacyjnych, w tym układach wydechowych, katalitycznych konwerterach, systemach zawieszenia i hamowania, sprzęcie elektronicznym, silnikom, materiałom napędowym i częściom ciała. Tradycyjne wypełniacze, takie jak mika, węglan wapnia i talk, były szeroko stosowane w komponentach motoryzacyjnych w celu poprawy lepkości stopu, jasności optycznej i sztywności. Na przykład włókno szklane wprowadzono ze względu na wysoką sztywność, ale jego produkcja jest trudna, co powoduje wysokie koszty produkcji. Ponadto tradycyjne wypełniacze i włókno szklane muszą być dodawane w wysokich stężeniach, aby poprawić stabilność wymiarów, zwiększyć moduł mechaniczny i zwiększyć jakość powierzchni. Dlatego wprowadzenie kompozytów CNT-polimerowych w tej branży może pomóc w rozwiązaniu tych wyzwań z tradycyjnymi wypełniaczami.

Stwierdzono, że kompozyty CNT-polimer mają wysoki stosunek wytrzymałości do masy, dlatego lekkie samochody mogą zmniejszyć zużycie paliwa. Zmniejsza to emisję dwutlenku węgla z pojazdów, pomagając spowolnić globalne ocieplenie. Zmniejszenie masy pojazdu o 25% może zmniejszyć zużycie ropy naftowej nawet o 250 milionów baryłek rocznie. Wielu producentów producentów używa już nanokompozytów w pokrywkach bagażnika, fotelikach samochodowych, pokrywach deski rozdzielczej i dachach.

Ponadto dodanie MWCNT do kompozytów epoksydowych może poprawić wytrzymałość na adhezję matrycy, pomagając w ten sposób zmniejszyć wchłanianie wody, poprawić hydrofobowość i odporność na korozję.

4. Czujniki

Kompozyty polimerowe wzmocnione przez CNT mają potężną zdolność do wykrywania chemikaliów w powietrzu, potencjalnie umożliwiając różnorodne zastosowania. Ich doskonałe możliwości wykrywania cząsteczek gazowych mogą przynieść korzyści eksploracji przestrzeni, monitorowaniu środowiska oraz zastosowaniach medycznych, przemysłowych i rolniczych. Na przykład w warunkach przemysłowych i medycznych monitorowanie zanieczyszczenia środowiska wymaga wykrycia tlenku węgla, tlenków azotu i amonu.