Forskere beregner, hvordan kulstofnanorør og deres fibre oplever træthed

Carbon nanorør (CNT'er) og deres fibre er lovende materialer til en bred vifte af applikationer på grund af deres exceptionelle mekaniske og elektriske egenskaber. Deres ydeevne er dog ofte begrænset af deres træthedsadfærd, som er den progressive og lokaliserede skade, der opstår under cyklisk belastning. At forstå og forudsige træthedsadfærden af ​​CNT'er og deres fibre er afgørende for at sikre deres pålidelighed i forskellige applikationer.

I en nylig undersøgelse har forskere udviklet en omfattende beregningsramme til at beregne træthedsadfærden af ​​CNT'er og deres fibre. Rammen kombinerer atomistiske simuleringer, kontinuummekanik og statistisk analyse for præcist at forudsige træthedslevetiden og svigtmekanismerne for disse materialer. De vigtigste resultater af undersøgelsen giver værdifuld indsigt i træthedsadfærden af ​​CNT'er og deres fibre:

1. Forudsigelse af træthedslevetid:Den beregningsmæssige ramme giver mulighed for forudsigelse af træthedslevetiden for CNT'er og deres fibre under forskellige belastningsforhold. Ved at overveje samspillet mellem atomistiske mekanismer og mekanismer på kontinuumniveau, fanger rammen de komplekse skadesudviklingsprocesser og forudsiger nøjagtigt antallet af cyklusser til fiasko.

2. Fejlmekanismer:Undersøgelsen identificerer de primære fejlmekanismer, der er ansvarlige for træthedsskader i CNT'er og deres fibre. Disse mekanismer omfatter bindingsbrud, revneinitiering og -udbredelse og fiberbrud. Rammen giver en detaljeret forståelse af de underliggende mekanismer, hvilket gør det muligt for forskere at optimere materialedesignet og afbøde træthedsfejl.

3. Effekt af defekter:Rammen undersøger også indflydelsen af ​​defekter på træthedsadfærden af ​​CNT'er og deres fibre. Defekter, såsom ledige stillinger og Stone-Wales-defekter, kan fungere som kernedannelsessteder for træthedsskader og reducere træthedslevetiden betydeligt. Undersøgelsen kvantificerer effekten af ​​forskellige typer af defekter og deres koncentrationer, og styrer udviklingen af ​​højkvalitets CNT'er og fibre med forbedret træthedsbestandighed.

4. Fiberorientering:Orienteringen af ​​CNT'er i fiberen spiller en afgørende rolle i træthedsadfærd. Rammen overvejer de anisotrope egenskaber af CNT'er og deres justering for at forudsige fibrenes træthedslevetid. Ved at optimere fiberarkitekturen er det muligt at øge den samlede træthedsmodstand og skræddersy materialeegenskaberne til specifikke applikationer.

5. Multiskalamodellering:Beregningsrammen kombinerer multiskalamodelleringsteknikker for at bygge bro mellem længdeskalaerne fra atomistiske interaktioner til den makroskopiske opførsel af CNT'er og deres fibre. Denne flerskalatilgang muliggør nøjagtig repræsentation af komplekse skadesprocesser og giver en omfattende forståelse af træthedsadfærden på forskellige hierarkiske niveauer.

Den udviklede beregningsramme fungerer som et kraftfuldt værktøj for forskere og ingeniører til at designe og optimere CNT-baserede materialer til krævende applikationer. Ved nøjagtigt at forudsige træthedslevetid og forstå de underliggende fejlmekanismer bliver det muligt at forbedre pålideligheden og ydeevnen af ​​CNT'er og deres fibre inden for forskellige områder, herunder rumfart, elektronik og biomedicinsk teknik.