нанотрубки (Углеродные нанотрубки), страница 10

Нанотруб«) считали круглой балкой длиной 1 мм, нос~олино~о поперечного сечения с моментом инерции 1, мм, геометрические параметры которой нс зависят от нагрузки Р, Н. Модуль!.;, определяли по формуле Е,= —, Р)' Зур ' гдсу — персмсщснпс кончика иглы кносоли, мм. При Р = 6,6 нр!, диаметре УНТ 20 нм, у = ((й нм модуль Е„= =3,3 ТПа (!1). 49 Таким образом, теоретико-экспериментальной оценкой модули Юнга у однослойных УНТ можно считать 1 ТПа. Его предельные значении равны 1,28...

1,8 ТПа [9! или 1... 5 ТПа 110), тогда как для тончайших зондов, изготовленных из стали и иридин, модуль Юнга составляет 200 и 520 ГПа соответственно. Посв ив омииисааа ароволокв ссосррбка Коисоле Наирввлсива смс рл Ымкм; Хн: ламам б Рпс.!б. Няиоманвлулнтор длн измерение механических характеристик УНТ. в — схема вснамиввлуляторс; б — увеличенное изабрсжснпс хансолиивзмсрнсмьж У(!Т Уровень механических свойств многослойных УНТ нивке уровнн свойств однослойных УНТ„но выше, чем стали.

Значение модуля Юнга 1 ГПа присуще только нанотрубкам с относительно небольшим количеством дефектов и относительно небольшим диаметром, полученным определенными способами. В остальных случанх значении аюдулн Юнга опускаются до 30... 100 ГПа. Та жс тенденции нсзблюдсзстсл и длн п1>одела прочности на расгнжснис. В испытанннх образцов >кгуга диаметром !О мкм и длиной 2 мм. состонщсго нз многослойных УНТ с внутренним дпамс>ром 12 нм н наружным дисамспром 30 нм, предел прочности нл растнжсшю составил 1,72 + 0.64 ГПа, а модуль !Опта — 0,45 + 0,23 ТПа ! 1 11 Длн сравнения; у многослойной УНТ диаметром 200 нм предел прочносги на !>асгнжснис составил 7 ГПа, а модуль Юнга — О,б ТПа ! 9 !. При нагреве у УНТ повышаютсл пластические свойства.

достигал значений„близких значспннм свсрхпластичпостп у металлов. Например. образец однослойной УНТ диаметром 12 нм и длшюй 24 нм при температура 2000 К был пластичсски растянут на 280 % до диаметра 0,8 нм и длины 91 пм (! ! 1 Предел прочности при изгибе многослойных УНТ, определенный экспс;риашнтально по схеме, показанной на рнс, 15, с!.

Раве:и 14,2 + 0,8 ГПа. Это в 15 раз превышает аналопшпос значение длн графитовых нитей. что свнзывают с повышенной гибкостью УНТ. Жесткость при изгиба по указанной схеме измсрабл через определение собственных ~~с~о~ колебаний на образцах многослойных УНТ длиной примерно 5 мкм. Свюь мшкду резонансной! члсп>той колебаний оболочки ~ и сс парамстрамп нмсст впд ! ! !1 Предел прочности на растяжение жгута нз однослойных УНТ определен в экспериментах на его поперечный изгиб по схеме, показанной на рис.

!5, в. Нагрузку прикладывали через наконечник АСМ. Расстояние между опорамп образца УНТ составлшю 4 мкм Зависимость между смещением наконечника и нагрузкой нл абразсц — кубическая. Предельное значение упругой деформации составило 5,8 + 0,9 %; предел прочности на растнженис образца У! П' был равен 45 + 7 ГПа !111, а высокопрочныс стали разрушаютсн при 2 ГПа 191 Упругое относительное удлинение УНТ может достигать 16 % (2).

где П, Ль Е., р — соогвстствшшо наружньш и внутренний диаметры, длина н плотность образца УНТ: Ев — модуль упругости прн изгибе; коэ4>4>ициссп Р = 1,875. Длн измерения 7:в на закрепленную одним концом У1П' подавали электрическое напрюкшшс с псрсмшшой частотой, 1'сзопанснан ястота многослойных УНТ (впшпппй диаметр 33 04 нм, вн!трешшй !К,К...27,К пм) сосгавпла О,(>58. 1,420 МГц. а Ь;, = 23+ 2 7...32.! +3 5 ГПл ! 11!. По другим данным. полу чшшым в испытаниях многослойной УНТ диаметром 30 нм на сжатие и изгиб до разрушения, напряжения составили 100...150 ГПа (4) Считают, что отличие обусловлено большим количеством точечных дефеггтов, хара~~ер~ых для бамбукообразной струг<туры УНТ в первом случае.

Измерением резонансной частоты также установлено, что заполнение жгутов пз однослойных УНТ диаметром 14...35 им фуллеренами со средним расстоянием лге>кду молекулами 0,997 нм повышает значение Ег стручка от 240 ~ 105 до 650 1 156 ГПа. С увеличением диаметра УНТ модуль упругости при деформации изгибом уменьшается, что объясняют взаимным скольн<ениелг УНТ, составляющих жгут.

Отмечена высокая чувствительность резонансной частоты УНТ к наличию посторонних масс на исследуемых образцах„эту особенность рекомендуют использовать в весах для измерения масс на уровне фемтограмм (!0 "г) (1! 1, Жесткость УНТ при радиальном пагружении (см, рис, 15,;) зна~гитсльно нижс, «гсы при Осевом )ьастяжснии-сжатии. Искюкснггс идеальной цилиндрической структуры УНТ может быть связано нс только с внешней лгсханичсской нагрузкой, но также с ван-дсрваальсовым взаилгодсйствислг с подложкой илн соседней УНТ, Искажение растет с увеличением внешнего и внутреннего диаметров УНТ. Из экспериментальных зависимостей деформации образцов многослойных УНТ диаметром 9 нм, подвергшихся периодически меняющимся удельным нагрузкам в диапазона О,! 6... 0,24 Н/м прн резонансных частотах 25...30 кГц, определена удельная энергия деформации, равная 10 ЗВ/нм [11!.

При определении зависимости жесткости многослойных У1.П' различных диаметров от радиального сжатия использовали АСМ в режиме простукивания. В подложке были вытравлены борозды шириной 70 нм и глубиной !7 нм для обеспечения прогиба УНТ прп деформации. Для длинных изогнутых УНТ диаметром 2„.50 нм зависимость силы от относительной радиальной деформации имеет линейный характер с переменными по длине трубки коэффициентами пропорциональности от 11 до 44 Н/и. Это соответствутгг значению модуля упругости в попе(зс~гнолг напрявлснии, равному 3...40 ГПа. Характер взаимодействия УНТ с поверхностью подложки определяется не только свойствами У1-ГГ, но и типом поверхности подложки. Исследовано поведение УНТ на поверхности подложек из слюды и графита.

При боковом приложении силы к УНТ последняя поворачивается в плоскости подложки из слюды и смещается в направлении действия силы. В случае графитовой подло>ггки наблюдается лишь перемещение УНТ как целого. Отмечена периодичность изменения боковой силы воздействия на УНТ в зависимости от расстояния, преодоленного нанотрубкой на плоскости и равного длине ее окружности. В некоторых условиях наблюдается качение УНТ, хотя сила сколыкения много меныле силы качения. Парадоксальность явления свггзывают с сильной неоднородностью взшииодействия с подложкой по длине УНТ.

Расчет критического давления р„. в случае потери устойчивости Образца однослойной УНТ при осевом сжатии (см, рис. 15, е) проводили по зависимости, применяемой при анализе сжатия жесткой цилиндрической оболочки !11 !: р„= 0,32Е(/г/ Л)', где /г и /г — толщина стенок и радиус УНТ. При /г = 0„15 нм, /1 = 0,65 им и Е = 1,1 ТПа критическое давление р, = 2 ГПа, что примерно соответствует данным экспериментов (1! !. Установлена возлгогкность применения той >ко зависимости для случая постепенного осевого сжатия с помощью конического индснтора набора образцов многослойных УНТ высотой 50 нм либо 100 им с наружным и внутренним диаметрами соответственно 50 нм и 40 нлг. Зависилгость нагрузки на образцы от смещения индентора имеет три участка, что отвечаег трем стадиям дсформации при сжатии УНТ.

Первый участок, соответствующий Относительно небольшим нагрузкам, имеет вид упругой линейной зависимости, прстерпсвающсй в конце изгиб, выражающий потерю устойчивости образца и началу Образованию ВОлны «гармошки». Второй участок, пологий, соответствует необратимой деформации. Характер зависимости третьего участка подобен хараггтсру псрвого, что указывает на начало контакта индентора с УНТ следующего слоя. Для определения критической силы /„при одновременном сгкатии многих (до 360 шт.) образцов многослойных УНТ можно использовать зависимости для расчета сгкатия тонкой цилиндричсс- 52 кой оболочки радиусом !! и толщиной l! [11).

В зависимости вс учтены слабые ваи-дер-ваальсовы взаимодействия между слоямв н она имеет вид 2кЕЬ ',/3(1- -) ' где и — число слоев в одной УНТ. При й = 0,15 им, Е = 1 ТПа, м =- 0,26„п = 30 критическая сила сс. ставила 2,53 ли!К. Ее значение практически ис отличается от результата измерений для отдельной многослойной УНТ (2... 2,5 мкН), В многослойной УНТ деформация слоев начинается с внешне. го слоя с минимальным отношением М(!. Существенное сокраще. ние вь>соты УНТ при осевом святии придаст вертикальному слою этого материала иеобычайныс свойства, в частности, свойство обратимо многократно менять плотность и вости себя как пенообразный материал.

Образцы пленки площадью 2 см" из вертикально ориентированных многослойных УНТ высотой 1 мм при сжатии да толщины ! 5 % от исходной практически полностью восстанавливают начальную толщину в конце каждого цикла са скоростью, намного большей скорости, свойственной для пенистых полимер. ных матсриалов. Ка мл!кроизображениях сжатых слоев УНТ видны волнообразные изгибы с длиной волны, прямо зависящей от ис. ходиой толщины слоя.

Отмечено резкое снижение модуля упруга. сти у образцов УКТ, подвергнутых с!патию до образования «гармошки» [11[. Результаты людсльных исследований поведения УНТ при экстремальных деформациях иа базе использования приближений молекулярной и макроструктурной динамики выявили необыч-, ную эластичность слоев УНТ [4[. При людслированин аксиально. го сжатия, изгиба и растяжения УНТ разрыв обнаружен в по- ' следнем случае. При растяжении в критической точке образца УНТ возникают нарушения атомного порядка и начинают рвать-, ся связи. Затем формируется перешеек липкду двумя раздельными ' сегментами трубы, приводя к образованию двух, а затем одной углеродной цепочки.