Nieuwe strategie om koolstofnanobuisvezels met hogere dynamische sterkte te verkrijgen

In een gepubliceerde studie in Wetenschap op 21 juni ontwikkelden prof. Jian Muqiang van de Universiteit van Peking en het Beijing Graphene Institute en anderen een strategie om koolstofnanobuisvezels te vervaardigen met een dynamische sterkte tot 14 GPa.

Lichtgewicht en hoge sterkte zijn voortdurende streven naar vezelmaterialen. Als reactie op de toepassingsvereisten van vezels in scenario’s met hoge reksnelheid, zoals bescherming van het slagveld en opvang van ruimteschroot, is het van groot belang om vezelmaterialen te ontwikkelen met ultrahoge dynamische sterkte en een hoog energieabsorptievermogen.

Koolstofnanobuisjes, met hun uitstekende eigenschappen: lichtgewicht, sterk, hoge modulus, zeer elektrisch en thermisch geleidend, worden beschouwd als een van de ideale bouwstenen voor de volgende generatie hoogwaardige vezels, die veelbelovend zijn om te voldoen aan de behoeften van toepassingen met hoge reksnelheid. .

Vanwege problemen met de structuur van de vezelassemblage blijft de treksterkte van koolstofnanobuisvezels echter minder dan 10 GPa, ver onder hun ideale sterkte, wat erop wijst dat er aanzienlijke ruimte voor verbetering is.

Onderzoekers, waaronder prof. Wu Xianqian van het Institute of Mechanics van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), Assoc. Prof. Gao Enlai van de Wuhan Universiteit, prof. Zhang Yongyi van het Suzhou Institute of Nano-Tech en Nano-Bionics van CAS, en anderen, stelden daarom een ​​innovatieve meerschalige structurele optimalisatiestrategie voor.

Ten eerste werden de koolstofnanotubevezels die werden geproduceerd door zwevende katalysator chemische dampafzetting gezuiverd en gefunctionaliseerd. Vervolgens werden de vezels onderworpen aan progressieve rek in een chloorsulfonzuur (CSA) oplossing die poly(p-fenyleen-2,6-benzobisoxazol) (PBO) bevatte, gevolgd door mechanische verdichting. Deze strategie leidt tot verbeteringen in grensvlakinteracties, nanotube-uitlijning en verdichting binnen de vezels, wat een doorbraak in zowel quasi-statische als dynamische sterkte oplevert.

De op meerdere schaal geordende assemblage van koolstofnanobuisjes geeft de vezels uitstekende mechanische eigenschappen. De quasi-statische sterkte van de koolstofnanobuisvezels bereikt 8,2 GPa, en de traditionele ballistische prestatie-evaluatie-index, Cunniff-snelheid, overschrijdt 1100 m/s. Bovendien vertonen de vezels een goede elektrische geleidbaarheid.

Om de impactbeschermingsprestaties van de koolstofnanobuisvezels te onthullen, werd een mini-gesplitste Hopkinson-spanstaaf gebruikt om het mechanische gedrag van de vezels onder hoge reksnelheid te bestuderen. De resultaten gaven aan dat naarmate de treksnelheid toenam, de vezels een overgang ondervonden van ductiel naar bros faalgedrag, waardoor de vezels aanzienlijke rek-snelheidsversterkende effecten kregen. Toen de reksnelheid ongeveer 1.400 s bedroeg^–1bereikte de dynamische sterkte van de vezels 14 GPa, waarmee alle andere hoogwaardige vezels werden overtroffen.

Om de dynamische respons van de vezels te onderzoeken, werd een lasergeïnduceerde transversale impacttest met hoge snelheid gebouwd onder gesimuleerde ballistische impactbelasting. De resultaten toonden aan dat het specifieke energiedissipatievermogen van de vezels (8,7 ± 1,0) × 10 bereikte¹³ mkg^–1 S^–1veel groter dan die van traditionele ballistische vezels zoals Kevlar.

Deze bevindingen gaven aan dat koolstofnanobuisvezels een groot potentieel hebben voor toepassing in impactbeschermingstechniek.

De synergetische verbetering van grensvlakinteracties, de uitlijning van nanobuisjes en de verdichting van koolstofnanobuisvezels is cruciaal vanwege hun uitstekende mechanische eigenschappen. In-situ Raman-testen en moleculaire dynamica-simulaties gaven aan dat sterke interacties tussen PBO en koolstofnanobuisjes de interacties tussen de buizen en de stressoverdracht verbeteren.

Grofkorrelige simulatieresultaten suggereerden dat tijdens progressief strekken de toevoeging van PBO de vezelporositeit vermindert, de dichtheid verhoogt en de spanningsconcentratie verlaagt.

Bij hoge snelheidsbelasting breekt een groter deel van de koolstofnanobuizen in de vezels en verandert de breukmodus van de vezels van glijden tussen de buizen naar meer synchrone breuken van koolstofnanobuizen, waardoor de vezels superieure dynamische mechanische eigenschappen krijgen.

Koolstofnanobuisvezels, gekenmerkt door hun extreem hoge dynamische sterkte, bieden potentieel voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart en bescherming tegen stoten. Deze studie biedt een haalbare route om de intrinsieke sterkte van individuele koolstofnanobuisjes op macroschaal te benutten om slagvaste vezelmaterialen te vervaardigen.