Функції та застосування вуглецевих нанотрубних композитів

一. Введення до вуглецевих нанотрубок

Вуглецеві нанотрубки (УНТ) - це крихітні трубчасті структури, виготовлені шляхом розколення графену в циліндр. Графен складається з атомів вуглецю, розташованих у шестикутних кільцях. Ці трубки діаметром від 0,4 до 50 нанометрів. УНТ легкі, але дуже міцні та довговічні. Вони мають сильні вуглецеві зв’язки, які дають їм чудові властивості. Вони також можуть витримати високі температури. УНТ можна розділити на три категорії: одностінні вуглецеві нанотрубки (SWCNT), двостінні вуглецеві нанотрубки (DWCNT) та багатостінні вуглецеві нанотрубки (MWCNT). Їх надзвичайно висока площа поверхні та велике співвідношення сторін надають їм надзвичайну механічну міцність (у 100 разів більше сталі) та теплову та електричну провідність, подібну до міді.

Малюнок 1. Схематична схема (a) одностінних вуглецевих нанотрубок та (b) багатостінних вуглецевих нанотрубок.

Вуглецеві нанотрубки (УНТ) мають широкий спектр застосувань, що охоплюють різні поля, такі як матеріалознавство, енергія, електроніка, датчики тощо. Увірок мають чудові механічні властивості та широко використовуються в композитах вуглецю та композитах, що містять УНТ як наповнювачі. І навпаки, його теплові властивості можуть використовуватися для таких застосувань, як розсіювання тепла. Високе співвідношення поверхні/об'єму робить УНТ корисними як датчики, особливо в біомедичних застосуванні. Завдяки їх високій електропровідності, УНТ можуть використовуватися як суперконденсатори та приводи в електроніці. На додаток до цього, УНТ також можуть використовуватися як скануючі підказки зонда для зберігання водню, наноелектромеханічні пристрої тощо. Біомедичне застосування УНТ варіюється від тканинної інженерії (сприяння зростанню нейронів) до розвитку сильних та легких протезів та нейропростетиків через їх здатність до взаємодії з електричною активністю та їх чудовою гнучкість.

Існує три основні методи отримання вуглецевих нанотрубок: дугова абляція, лазерна абляція та хімічне осадження пари (CVD). Метод дугової абляції, в першу чергу, використовується для виробництва SWCNT, простий і швидкий, але він не підходить для масштабного виробництва, а УНТ, що виробляються цим методом, виявляють численні недоліки, такі як низька міцність на врожайність та складність у очищенні. ССЗ може виробляти УНТ при низьких температурах та атмосферному тиску, і його легко реалізувати та недорого. CVD дозволяє масштабно виробляти УНТ, а кількість, діаметр, довжина та орієнтація їх стінок можна контролювати під час процесу росту. Завдяки їх унікальній молекулярній структурі та винятково міцному зв’язку між атомами вуглецю, УНТ перевершує всі існуючі волокна і широко вважаються суперфібром майбутнього. Завдяки винятковим електричним, тепловим, механічним та хімічним властивостям, УНТ мають застосування в електронних та електричних компонентах, біофармацевтичних продуктів, композитних матеріалів, хімічних датчиків та інших галузей. УНТ також відіграють важливу роль у покращенні механічних, трибологічних, електричних та теплопровідності композитів на основі металу, таких як ті, що базуються на магнію, алюмінієві, міді, нікелю, титану та залізі. Як арматура для композитів з керамічної матриці (CMC), вуглецеві нанотрубки також можуть покращити свою міцність та підвищувати їх пластичну деформаційну здатність. Матеріали FRP, що відводять CNT, також широко використовуються в аерокосмічній, автомобільній інженерії, морській інженерії, спортивному обладнанні та багатьох інших галузях.

1. Вуглецеві нанотрубні полімерні композити та посилені композити

Полімерні композити мають широкий спектр застосувань завдяки їх відмінному поєднанні механічних, теплових та електричних властивостей. Додавання нанофільмів до полімерних смол може забезпечити перспективні властивості матеріалів майже у всіх полях. Наприклад, вуглецеві нанотрубки (УНТ) як посилення полімерних композитів можуть досягти значно вищої механічної міцності та модуля пружності порівняно з іншими високоефективними волокнами, такими як кевлар та вуглецеві волокна. Зокрема, їх міцність на розрив та модуль пружності досягають 150 ГПа та 1 ТПА відповідно, що робить їх сильнішими та жорсткішими, ніж сталь, в той час як три -п’ять разів легше. У таблиці нижче узагальнено останні дослідження композитів УНТ-полімеру в різних галузях.

图

Як підкріплення, композити, модифіковані CNT, не тільки покращують свої механічні властивості, але їх електропровідність та інші функціональні властивості роблять їх дуже привабливими для практичних інженерних застосувань. З недавньою розробкою численних нових інтелектуальних матеріалів, вуглецеві нанотрубки, з їх винятковою силою та жорсткістю, можуть слугувати високоякісними підкріпленнями, значно покращуючи міжламінарну зв'язок між посиленими пластмами. Це багато масштабне, багатофункціональне підкріплення не тільки використовує виняткові механічні властивості УНТ, але й зберігає чудові властивості традиційних матеріалів, підв'язаних волокнами, додавання функціональних властивостей наноматеріалів (провідності, зондування та термічного опору). Цей матеріал підходить для складних навантажувальних середовищ, що потребують високої інтерламінарної міцності зв’язку в армованих пластмасах, таких як удари птахів, скинуті інструменти (ударні навантаження) та циклічне обертання лопатей вітрогенераторів (навантаження на втому). Крім того, цей легкий, високоміцний матеріал може ефективно підвищити енергоефективність практичних застосувань.

二.

1. Електронні програми

Застосування вуглецевих нанотрубних-полімерних композитів у галузі електроніки, особливо в розробці електронних пристроїв, швидко з'являється. Зростаючий попит на передові матеріали з індивідуальними електричними властивостями робить вуглецеві нанотрубки найпривабливішими наноматеріалами для електричних та електронних пристроїв. Вуглецеві нанотрубки-полімерні композити також дуже корисні при приготуванні сонячних клітин. Еластичні вуглецеві нанотрубки-полімерні композити мають великий потенціал для виробництва нових фотоелектричних клітин за допомогою технології друку екрану. Композити вуглецевих нанотрубки мають високу оптичну пропускну пропускну здатність і виробляються за низькою вартістю. Нанокомпозити покращили пружні властивості та значно покращили оптичні та електричні параметри, що робить їх потенційним для використання в якості покриттів сонячних батарей.

2. Аерокосмічні програми

Аерокосмічна промисловість вимагає надзвичайно міцних та довговічних матеріалів, які будуть вбудовані як компоненти в аерокосмічному обладнанні. Через різні властивості вуглецевих нанотрубок (УНТ) дослідники аерокосмічної галузі активно вивчають композити вуглецевих нанотрубок для поліпшення електричних властивостей композитів епоксидної смоли. Тому композити вуглецевих нанотрубок мають вирішальне значення в аерокосмічному полі, оскільки їх структурні властивості можуть бути застосовані до таких полів, як антирадарські захисники, антистатичні матеріали та космічний корабель. Починаючи з 2006 року, епоксидні полімерні композити з вуглецевими нанотрубками широко застосовуються в дослідженні та розробках космічних та космічних кораблів. Вуглецеві нанотрубки-це новий вдосконалений матеріал, який може зробити структури легкими, високотемпературними стійкими та мати високе співвідношення сили до ваги. Полімерні композити, що підтримуються УНТ, можуть використовуватися як теплооб поглинання середовищ, наприклад, як електромагнітні поглиначі хвилі в аерокосмічній промисловості.

3. Автомобільні програми

У автомобільному секторі нанокомпозити, зокрема композити вуглецевої нанотрубок (CNT), пропонують численні переваги, включаючи вдосконалення існуючих технологій. Полімерні композити, підв'язані вуглецевими нанотрубками, можуть використовуватися в автомобільних компонентах, включаючи вихлопні системи, каталітичні перетворювачі, підвісні та гальмівні системи, електронне обладнання, двигуни, силові матеріали та частини кузова. Традиційні наповнювачі, такі як слюда, карбонат кальцію та тальк, широко використовуються в автомобільних компонентах для поліпшення в'язкості розплаву, оптичної ясності та жорсткості. Наприклад, скло волокна було введено завдяки високій жорсткості, але його виробництво складне, що призводить до високих виробничих витрат. Крім того, у високих концентраціях слід додавати традиційні наповнювачі та скловолокна для підвищення розмірної стабільності, підвищення механічного модуля та підвищення якості поверхні. Тому введення композитів УНТ-полімерів у цій галузі може допомогти вирішити ці проблеми з традиційними наповнювачами.

Було виявлено, що композити УНТ-полімеру мають високе співвідношення сили до ваги, саме тому легкі автомобілі можуть зменшити споживання палива. Це зменшує викиди вуглекислого газу від транспортних засобів, допомагаючи уповільнити глобальне потепління. Зниження ваги транспортного засобу на 25% може зменшити споживання сирої нафти на 250 мільйонів барелів на рік. Багато автовиробників вже використовують нанокомпозити в кришках багажників, автомобільних сидіннях, покриттях на приладовій панелі та дахах.

Крім того, додавання MWCNT до епоксидних композитів може покращити міцність на адгезію матриці, тим самим допомагаючи зменшити поглинання води, покращити гідрофобність та резистентність до корозій.

4. Датчики

Полімерні композити, що підтримують УНТ, мають потужну здатність виявляти хімічні речовини в повітрі, потенційно забезпечуючи різноманітні застосування. Їх чудові можливості зондування молекули газу можуть принести користь дослідження простору, моніторингу навколишнього середовища та медичних, промислових та сільськогосподарських застосувань. Наприклад, у промислових та медичних умовах моніторинг забруднення навколишнього середовища вимагає виявлення оксиду вуглецю, оксидів азоту та амонію.