Overvågning af deformation af kulstofnanospoler i realtid under aksial belastning

Carbon nanocoils (CNC'er) sammensat af spiralformede carbon nanofibre har potentielle anvendelser, herunder mekaniske fjedre og nano-solenoider. Der er nogle rapporter, der måler fjederkonstanten for CNC'er.

Imidlertid, CNC-responsen på langvarig strækning, som omfatter indledende elastisk forlængelse til storskala deformation i plastikregimet og efterfølgende trækbrud efterfulgt af kontraktion efter fraktur og frigivelse af den påførte belastning, forbliver ubestemt. Det er afgørende vigtigt at sikre realtidsmålinger af CNC-deformation ud over det lineære elastiske regime.

Her, Taiichiro Yonemura og kolleger ved Toyohashi University of Technology beskriver de deformationsdata i realtid, der udviste sekventiel ændring i CNC-geometrien, efter at hver spole blev udsat for en enakset belastning med en konstant hastighed.

CNC-trækprøver blev udført som følger:CNC'erne blev installeret i et FIB-system med en wolfram (W)-sonde med en 500 nm spidsdiameter, og W-sonden blev flyttet, indtil den klæbede til CNC ved hjælp af Pt-ionstrålen, hvorimod Si-ionstrålen skar CNC bund; derefter nærmer den CNC-klæbende W-sonde en overflade med fjederbordssubstrat, indtil CNC var næsten vinkelret på underlaget. Træktestene blev udført på ni CNC'er ved gradvist at ændre afstanden mellem substratet og W-sonden.

Realtidsdataene fra en CNC-træktest udført ved hjælp af et fjederbord i FIB-kammeret blev overvåget. En serie på tre scanning ion mikroskopi (SIM) billeder giver visualisering af den geometriske udvikling af CNC'en under en trækbelastning. Disse billeder blev taget i fri tilstand (t =0 s), det maksimale forlængelsespunkt (t =910 s), og en post-fraktur tilstand (t =960 s).

For at bestemme den elastiske grænse for CNC'erne, vi undersøgte forholdet mellem den påførte belastning og resterende forlængelsesforhold for CNC'er efter belastningsfrigivelsen. Resultatet indikerer, at CNC'erne var i det elastiske område for forlængelser op til ca. 15% belastning.

Trækprøver, udført på ni forskellige CNC'er, viste, at den gennemsnitlige CNC-fjederkonstant var 1,8 N/m. Ved at bruge en teoretisk ligning til design af makroskopiske fjedre, forskydningsmodulerne for de ni CNC'er blev estimeret til at være 6 GPa i gennemsnit. Disse resultater kan tjene som en milepæl for udvikling af CNC-baserede applikationer i fremtiden.