自 20 世纪 90 年代初发现碳纳米管W (CNT) 以来，它一直处于材料技术的前沿。人们对它们进行了不到二十年的广泛研究，揭示了许多理想且独特的机械、电气、光学和电子传输特性。仍可大幅改进的领域之一是碳纳米管的实用强度和机械性能。例如，碳纳米管的拉伸强度理论值估计在140GPa至177GPa之间。然而，由于材料的缺陷，仅实现了高达 63GPa 的实用值。实施碳纳米管的另一个主要挑战是功能性宏观结构的制造。由此可见，碳纳米管的力学材料性能W仍有很大的提升潜力。
请注意，本页讨论的是碳纳米管的机械性能以及如何改进它们，而不是如何改进合成方法。要深入了解碳纳米管的不同合成技术以及如何改进它们，请查看碳纳米管的合成页面。
机械性能
碳纳米管的机械性能由两个主要测量值定义，即杨氏模量W和拉伸强度W（碳纳米管分别是尚未发现的最硬和最强的材料）。碳纳米管分为两个不同的组：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，这是因为每一组都具有不同的机械性能和失效机制。然而，所有碳纳米管的机械性能都是其通过轨道杂化W形成的独特键合结构的直接结果。纳米管完全由 sp 2键组成，这种键合结构比金刚石中的 sp 3键合结构还要强。从概念上讲，碳纳米管只是无缝滚动形成圆柱体的石墨烯W片。[1]理论上，碳纳米管的拉伸强度和杨氏模量分别高达~140GPa和~1TPa。[2]虽然我们通过实验发现杨氏模量达到甚至超过了万亿帕斯卡值，但尚未发现任何种类的纳米管具有接近理论值的实用强度。这在很大程度上是由材料缺陷造成的。[1]材料中的缺陷可使拉伸强度降低高达约 85%。众所周知，链条的强度取决于其最薄弱的一环。这种现象也适用于碳纳米管，它们的强度取决于其最薄弱的部分。
从机械角度来看，了解碳纳米管的密度非常低也很重要，约为 1.3 至 1.4 g/cm3，具体取决于 CNT 的类型。[3]这意味着它们也是一种非常轻的材料，在几乎所有情况下都是另一个理想的特性。不仅如此，纳米管有趣的动能W特性将使它们对机械工程师更有价值。由于这些管子是中空的，因此具有惊人的能量吸收特性，管子会弹性弯曲，在弯曲回原来的位置之前将动能转化为势能。多壁碳纳米管还表现出惊人的伸缩特性，其中内部纳米管可以几乎零摩擦地线性或旋转滑动。
单壁碳纳米管
Yu 等人发现了最广泛接受的强度和模量实验值。2000 年，通过在电子显微镜内对单个单壁碳纳米管进行应力-应变测量。该实验发现模量值在 0.32 至 1.47 TPa 范围内，拉伸强度在 10 至 52 GPa 之间。他们还观察到单壁碳纳米管的失效机制只是束周边的分裂。[2]
多壁碳纳米管
已知多壁碳纳米管的直径在2至100纳米之间。从概念上讲，它们只是多片石墨烯相互缠绕，形成多个彼此围绕的无缝圆柱体。另一种可视化的方法是将多个单壁碳纳米管放置在彼此内部。这些纳米管的特性与单壁碳纳米管有很大不同，变化最突出的是电、热和化学方面。
Yu等人再次发现了最广泛接受的强度和模量实验值。2000 年，通过在电子显微镜内对单个 MWNT 进行应力-应变测量。他们发现实验模量值在 0.27 至 0.95 TPa 范围内，拉伸强度在 11 至 63 GPa 之间。他们还观察到 MWNT 中存在“剑入鞘”的失效机制。这是当外部纳米管垂直于所施加的拉伸应力而失效时。这会导致伸缩动作，在下一层开始失效之前，外壁会拉开。[2]
材料改进流程
碳纳米管的最大问题（尽管它们仍然很昂贵且数量很少）是它们非常小并且极难相互结合。这意味着，虽然它们目前在涉及晶体管和其他电气、光学和热学应用的纳米科学中非常有前途，但它们在宏观层面上几乎毫无用处，而这正是机械工程师主要处理的问题。例如，虽然碳纳米管的拉伸强度可能达到 63 GPa（比最强的钢高出整整一个数量级），但它失效所需的力要低得多，因为它的横截面比传统钢小得多。为了提高实用价值，我们可以研究几种不同的技术，这些技术可以改善碳纳米管的不同机械方面。
缺陷控制
从概念上讲，晶体缺陷W控制是最容易理解的改进技术。纳米管的强度和刚度（这无疑是碳纳米管最重要的机械性能）在很大程度上取决于缺陷浓度和缺陷与缺陷的相互作用。[4]所以很简单，如果我们消除碳纳米管中的所有缺陷，我们将大大提高强度和杨氏模量。不幸的是，这并不容易，大多数缺陷是在合成过程中由于形成过程中的气氛、压力和温度而随机产生的。[3]不仅如此，化学气相沉积（CVD）也是最有前途的工业合成技术，它使用催化方法，增加无序性和缺陷数量。这意味着虽然 CVD 能够以更高的效率生产更多的纳米管，但它生产的管的机械质量较低。[3]一些研究已经在不使用催化剂的情况下进行了 CVD，但它们需要后处理，并且仍然无法生产出与激光烧蚀和电弧放电合成方法相同质量的纳米管。
几种类型的缺陷可以在下面的链接中看到，在这篇文章中，他们正在研究将碳纳米管与成对缺陷连接起来
将碳纳米管与五边形-七边形对缺陷连接起来
插层
Low-bulk mechanical properties of carbon nanotubes are partly due to bundles of 10-50nm diameter that are only weakly bound by van der Waals interactions at junction points. Because of this it is hard to apply them macroscopically. To apply this to a macroscopic level CNTs have been used as reinforcing agents in polymers and composites for several years. Ideally, any load applied to the outside polymer or composite matrix is transferred to tensile stress in the nanotubes. This method has increased the Young's Modulus by factors of 1.8 and 3.5 for MWCNTs and SWCNTs respectively. Recently however it has been proven that the reverse procedure of polymer intercalation can improve the properties of the bulk CNT material. The polymer-intercalated material has been shown to have improvements in the Young's Modulus and tensile strength by factors of ~3 and ~9 respectively.[5] The nature of this reinforcement is thought to be caused by the nanotubes being interlaced by the polymer strands. The polymer grows on the inside and outside of the nanotube and then polymer transfers the stress from one nanotube to the next. This extra reinforcement at the junction plays a large role on the macroscopic scale.[5]
Yarning
Carbon nanotube yarning is debatably the biggest breakthrough in the past 5 years to improve the macroscopic properties of CNTs. It provides amazing energy enhancements. By spinning the nanotubes together you can increase the overall thickness, giving the nanotubes a larger impulse meaning that they can absorb more energy. This is huge breakthrough for kinetic applications such as bulletproof armor. It also allows you to make a macrostructure completely of nanotubes meaning that you can retain low density and high strength. The spinning process is not conceptually difficultly to understand, as it is the same as normal yarning (spinning small fibers into larger ones). The hard part is applying it to such a small scale without the tubes getting tangled and intertwined. Many researchers are still exploiting ways to 'fine tune' the process to yield even better strength, structure and productivity.[6]
CSIRO a company in Australia is a pioneer in this field and has had great success with creating high quality carbon nanotube yarns, please go to there website below to learn more about there innovative techniques and watch their videos on their spinning process:
CSIRO Carbon Nanotube Yarn
Spinning Carbon Nanotubes Video
Annealing
退火是一种消除缺陷的方法，但与缺陷控制不同，退火是在块体材料制造完成后进行的，以尝试消除合成过程中产生的一些缺陷。此方法通常用于 CVD 创建的纳米管，但您可以将其应用于任何类型的纳米管。它最常用于 CVD 之后，尝试改善 CVD 产生的低质量纳米管的性能。退火过程将允许与退火温度和时间成比例地去除晶格缺陷。[7]
机械应用
这种非凡材料的潜在应用确实是无穷无尽的。它们可用于改善几乎任何工程情况下的性能。
结构性
- 太空电梯：碳纳米管可用作通往太空的电梯电缆
- 增强复合材料：我们可以通过在材料中放置纳米管来提高复合材料的拉伸强度
- 航空航天：超强轻质碳纳米管纸可用作飞机外壳
活力
- 轴承：多壁碳纳米管中相互嵌套的纳米管之间的摩擦系数实际上为零，这意味着我们可以创建有效且永远不会损失能量的旋转轴承
- 飞轮：由碳纳米管制成的飞轮可以以接近传统化石燃料的密度存储能量。由于能量可以以电力的形式非常有效地添加到飞轮或从飞轮中移除，因此这可能提供一种存储电力的方法。
- 防弹甲：0.6毫米的碳纳米管可以完全阻挡子弹。它们也比凯夫拉尔和陶瓷板等传统装甲轻得多。
参考
- ↑跳转至：1.0 1.1 乔纳森·N·科尔曼；汗，奥马尔；布劳，沃纳·J.；Gun'ko,Yurii K.小而强：碳纳米管-聚合物复合材料机械性能综述，碳，2006, 44, 9, 1624-1652
- ↑跳转至：2.0 2.1 2.2 于敏峰、奥列格·劳里、马克·J·戴尔、卡特琳娜·莫洛尼、托马斯·F·凯利、罗德尼·S·鲁夫；拉伸载荷下多壁碳纳米管的强度及断裂机理；2000 年 1 月 28 日，第 287 卷《科学》，www.sciencemag.org
- ↑跳转至：3.0 3.1 3.2 J.-P。Salvetat*，J.-M。Bonard、NH Thomson、AJ Kulik、L. Forro ́、W. Benoit、L. Zuppiroli，碳纳米管的机械性能；收稿日期：1999年5月17日/接受日期：1999年5月18日/在线发布：1999年7月29日
- ^ C. Shet、N. Chandra 和 S. Namilae；机械载荷下碳纳米管中的缺陷与缺陷相互作用；先进材料和结构力学。12: 55-65.2005 版权所有 © Tiylor & Francis Inc. ISSN: I.S37-6494 print/1537-6532 online DOf: 10.108O/1537649049CM92089
- ↑跳转至：5.0 5.1 乔纳森·N·科尔曼；布劳，沃纳·J.；道尔顿，艾伦·B，穆尼奥斯，埃德加；柯林斯，史蒂夫；金，博格·G。拉扎尔，何塞利托；塞尔维奇，迈尔斯；吉列尔莫·维埃罗；鲍曼，雷·H；通过插入聚合物粘合剂提高单壁碳纳米管片的机械性能；应用物理快报, 2003, 82, 11, 1682-1684, AIP
- ^ Tran, CD; 汉弗莱斯，W.；史密斯，SM；黄，C.；卢卡斯，S.；采用改进的纺丝工艺提高碳纳米管细纱的拉伸强度；碳, 2009, 47, 11, 2662-2670
- ^ S. Musso、M. Giorcelli、M. Pavese、S. Bianca、M. Rovere、A. Tagliaferro；通过退火处理改善厚层定向多壁碳纳米管的宏观物理机械性能；2007 年 12 月 3 日在线发布