Механические свойства углеродных нанотрубок

Механические свойства фуллерита и других углеродных материалов

Фуллерит – кристалл из больших молекул углерода Сn-фуллеренов.

Фуллерены – сферические молекулы углерода Сn с различной молекулярной массой от n=20 до 96. Самым распространенным фуллереном является бакминстерфуллерен С₆₀, который состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, образующих усеченный икосаэдр.

Ученые обратили внимание на необычайно высокую механическую и химическую устойчивость молекулы С₆₀. Характеристикой устойчивости к внешним механическим деформациям служит модуль объемного сжатия:

В=Vd²E/dV².

Формальная оценка дает величину В от 720до 900 ГПа, т.е. молекула С₆₀ «менее сжимаема», чем кристалл алмаза (В=450 ГПа). Хорошо известно, что атомы углерода в гексагональных сетках графита связаны между собой ковалентными связями, которые прочнее, чем связи у алмаза. Кристалл из молекул С₆₀ – фуллерит имеет сжимаемость, которая примерно в 50 раз ниже, чем сжимаемость отдельной молекулы.

Микротвердость является мерой сопротивления образца упруго-пластическому внедрению в него более жесткого тела. Установлено, что пластичность фуллеритов определяется дислокационными механизмами. Микротвердость монокристаллического С₆₀≈150-200 МПа и изменяется по мере старения образцов на воздухе в результате фотостимулированного окисления поверхности. По механическим характеристикам аморфные фазы углерода лишь немного уступают соответствующим показателям алмаза.

С точки зрения поиска сверхтвердых материалов наибольший интерес вызывают упругие и механические свойства. Все модификации фуллерита, полученные в результате действия давления, имеют высокие значения твердости.

Плотные модификации, полученные из фуллеритов при высоком давлении, представляют собой новый класс как кристаллически упорядоченных, так и разупорядоченных фаз углерода. Уникальная комбинация достаточно высокой твердости, пластичности и трещиностойкости делают данные углеродные материалы достаточно перспективными.

В монокристаллах С₆₀ при комнатной температуре был обнаружен магнитопластический эффект, который заключается в том, что после экспозиции кристаллов в импульсном магнитном поде наблюдается долговременное изменение микротвердости Hv кристаллов. Остаточные изменения Hv достигают 10% в магнитном поле с амплитудой В=25 Т и длительностью ~ 100 μс и могут быть обнаружены как сразу после экспозиции кристалла в магнитном поле, так и в течение суток после неё.

Нанотрубка (углеродная или неуглеродная) представляет собой один скрученный в полный цилиндр графеновый лист (однослойная). Нанотрубки могут быть и многослойными, т.е. представлять собой несколько скрученных листов и иметь следующие типы структур: «матрешка», рулон (свиток), папье-маше. Все подобные образования относятся к табулярным (трубчатым) структурам, но многослойные образования могут иметь также округлую форму (онионы), в сечении напоминающем луковицу.

Прочность нанотрубок исследовали при испытании на сжатие. Было найдено, что перед тем, как разрушиться они могут оказаться согнутыми. Толстостенные трубки сгибались, тогда как тонкостенные имели тенденцию к разрушению или перелому. Были оценены напряжения, необходимые для того, чтобы получить изгиб или разрушение, и найдены величины, находящиеся в диапазоне 100-150 ГПа. Эти оценки показывают, что нанотрубки имеют прочность на сжатие по крайней мере в 100 выше, чем любое другое известное волокно.

Были проведены исследования углеродных нанотрубок, подвергнутых большим изгибным напряжениям, с помощью атомносиловой микроскопии. Было обнаружено, что такие трубки можно согнуть повторно на большие углы без их нарушения. Были идентифицированы два типа поведения: регулярные сгибы и более сильные сгибы, содержащие большие деформации. Появлявшиеся очень резкие перегибы были отнесены к постоянным дефектам, хотя в некоторых случаях наблюдались сильнодеформированные трубки не имеющие явного повреждения. Эти эксперименты дают дополнительное доказательство экстраординарной эластичности нанотрубок.

Углеродные нанотрубки намного жестче всех известных материалов. Исследования показали возможность работы нанотрубок при больших напряжениях во время зондирования. Гибкость графитовых цилиндров дает возможность трубкам выдерживать экстремальные деформации без разламывания и во многих случаях после таких деформаций возвращаться в исходное состояние неповрежденными. Это отличает их от обычных углеродных волокон, которые намного более чувствительны к разрыву при изгибе или скручивании.

Такие уникальные возможности нанотрубок, несомненно, приведут к активному их использованию. Уже сейчас нанотрубки с большим успехом используются как острия в сканирующих зондовых микроскопах не только для топологического изображения, но и для химического изображения, и исследования взаимодействий между органическими макромолекулами. Жесткость нанотрубок может открыть возможность их использования для зондирования наномира.

Дата добавления: 2015-04-24