Forskere beregner, hvordan kulstofnanorør og deres fibre oplever træthed

Heroppe i makroverdenen føler vi alle sammen træthed nu og da. Det er det samme for bundter af kulstofnanorør, uanset hvor perfekte deres individuelle komponenter er.

En undersøgelse fra Rice University beregner, hvordan belastninger og belastninger påvirker både "perfekte" nanorør og dem, der er samlet til fibre, og fandt ud af, at mens fibre under cykliske belastninger kan svigte over tid, kan selve rørene forblive perfekte. Hvor længe rørene eller deres fibre opretholder deres mekaniske miljø kan bestemme deres praktiske anvendelsesmuligheder.

Det gjorde undersøgelsen, som vises i Science Advances , vigtig for Rice materialeteoretiker Boris Yakobson, kandidatstuderende Nitant Gupta og assisterende forskningsprofessor Evgeni Penev fra Rices George R. Brown School of Engineering. De kvantificerede virkningerne af cyklisk stress på nanorør ved hjælp af avancerede simuleringsteknikker som en kinetisk Monte Carlo-metode. De håber at give forskere og industri en måde at forudsige, hvor længe nanorørfibre eller andre samlinger kan forventes at holde under givne forhold.

"Tidsafhængigheden af ​​et individuelt nanorørs styrke eller udholdenhed blev undersøgt for længe siden i vores gruppe, og nu overvejer vi dets implikationer i tilfælde af cyklisk belastning af rørene og deres fibre eller samlinger generelt," sagde Penev. "For nylig rapporterede et par eksperimenter, at kulstofnanorør og grafen gennemgår katastrofalt svigt på grund af træthed uden progressiv skade. Dette var nysgerrigt og overraskende nok til at genskabe interessen og i sidste ende førte os til at fuldføre dette arbejde."

Perfekte kulstof nanorør, der betragtes som en af ​​de stærkeste strukturer i naturen, har en tendens til at forblive det, medmindre nogle dramatiske påvirkninger udnytter deres sprøde natur og knækker dem i stykker. Forskerne fandt gennem simuleringer i atomskala, at under omgivende forhold og selv når de er bøjet eller bøjet, håndterer nanorør rutinemæssig stress godt. Når punktdefekter (aka Stone-Wales-defekter) opstår spontant, er virkningerne på disse "utrættelige" nanorør ubetydelige.

De fandt, at de samme principper gælder for uplettet grafen.

Men når millioner af nanorør er bundtet i trådlignende fibre eller andre konfigurationer, forhindrer van der Waals-kraften, der binder de parallelle nanorør til hinanden, ikke glidning. Tidligere på året havde forskerne vist, hvordan friktion mellem rør fører til stærkere grænseflader mellem nanorør og er ansvarlig for deres utrolige styrke. Ved at bruge denne model testede de nu, hvordan træthed kan indtræde under cykliske belastninger, og hvordan det i sidste ende fører til fejl.

Hver gang en nanorørfiber strækkes eller spændes, vil den for det meste genvinde sin oprindelige form, når spændingen er udløst. "For det meste" er nøglen; der er en lille smule tilbage, og det kan stige med hver cyklus. Dette er plasticitet:Deformation med irreversibelt ufuldstændig genopretning.

"Den cykliske belastning af nanorørfibre får naborør til enten at glide væk eller mod hinanden, afhængigt af hvilken del af cyklussen de er i," forklarede Gupta. "Denne slip er ikke ens, hvilket forårsager en samlet belastningsophobning med hver cyklus. Dette kaldes strain ratcheting, da den samlede belastning altid øges i én retning, ligesom en skralde bevæger sig i en enkelt retning."

Forskerne bemærkede, at state-of-the-art fibre skulle være i stand til at overvinde risikoen for fejl ved at overleve den uundgåelige glidning.

"Som vi ved, kan nogle af de bedste nanorørfiberproduktionsstrategier føre til en trækstyrke på mere end 10 gigapascal (GPa), hvilket er utroligt for deres anvendelse i hverdagen," sagde Gupta. "Vi fandt også ud af vores test, at deres udholdenhedsgrænse kan være 30%-50%, hvilket betyder, at mindst op til 3 GPa fibrene kan have praktisk talt uendelig levetid. Det er lovende for deres brug som lavdensitets strukturelle materialer." + Udforsk yderligere

Lidt friktion går langt mod stærkere nanorørfibre