нанотрубки (Углеродные нанотрубки), страница 22

Нанопинцст можно использовать и как механзп!вски!! наноперсклю !атель, а также для измерения электрических свойств наночастицы, зажатой мея<ду УНТ [10, ! 4[. Представляет интерес создание молекулярных механизмов простейших типов, иа базе которых могут разрабатываться наномеханическис системы. Такими механизмами являются молску- парные валы, шестерни, пружины, зубч ые кя [4, 11, 14]. Конструкции звездочек и шестерен являются примером соединения УНТ и фуллеренов. Их стержни выполнены из кресельных нанотрубок с хиральностью (б, 6), а зубчатые части— вз фуллеренов или молскул бензола. Моделирование подтвердило работоспособность описанных механизмов с высокими угловыми скоростями без разрушения. Простейшей наномеханической системой, содержал!ей УНТ, является генератор,иехалл'!ес!глх кш!еб!ал!пз!, действие которого ссяовано на возможности обратимого продольного нли вращазельного перемещения однослойных УНТ, входящих в состав я!гутя, друг относительно друга, либо определенных слоев многослойвся "1!!, При таких манипуляциях УНТ может телсскопнчески т!ьзиняться нли укорачиваться.

Сила взаимодействия между словил ь!ногослойной УНТ диаметром 4 нм равна 4,4 нН, а частота осавлляцнй — 0,15 ГГц [1! [. В результате нссколы<их усовершенствований создан подла!ляяк (по сути наномотор) — интегрированное в кремниевый чип устус!!ство размером 300 нм, работающее без признш<ов износа в услоыпх изменения частоты, температуры, в вакууме или агрессивных средах с полным илп частичным углом поворота илн качания с частотой в несколько герц. Вращающийся элемент — прямоугольная яезалличсская пластина размером 250х300 нм, прикрепленная к яодвсшснной роторной оси, являющейся многослойной УНТ с дли, ной 2 мкм и внешн!гм диаметром 20, 80 нм.

Концы оси введены внутрь якорей, выполненных нз проводящего материала и покояц!жся на озо!слепней поверхности чипа. В областях между пластикой и якорями у УНТ удалено несколько внутренних слоев. Собст- , млло подшипниками по обе стороны пластины являются пары: ' втулки — связанныс с пластиной внешние слои УНТ, и неподвижяве оси — нсудалснные части внутренних слоев УНТ. Вокруг пла' стввы расположены три статорных электрода, ь1стырс независимых зяектрнчсских сигнала внешнего электрического поля постоянного !ьв! переменного напрюксния подаются через ось на пластину или статорныс электроды, контролируя положение, направление и скоьвсть вращения пластины [11[.

Материалы на базе УНТ. Потенциально сверхвысокий уромяь механических свойств УНТ нс прсдставлясг большой ценно- 110 111 7аблл!)л 2 В 2Т 113 112 сти, пока ани не будут внедрены в матрицы в виде пластика, сма. лы, металла или углерода. Внедрение углеродных волокон повышает жесткость и упругость композиционного материала и спо. собствует повышению сопРотивлсния трептинообразованито !4! Например, добавление 11,5 мас. долей, %, многослойных УНТ диаметрам 200 нм к полипрапилену привело к удвоению его проч.

насти на разрыв Я, Для передачи максимального напряжения <тс,„„, волокна однонаправленного композита должны быть строго ориентированы и иметь минимальное аспектное Отношение 14), определяемое па зависимости вида ГДЕ ! с И ) — 1<РИТИс!ССКЙЯ ДЛИИЙ Н ДИЙМЕТР ВОЛОКОН,' т — 1<ЙСатЕЛЬ- нос напрюкение на границе раздела матрицы и УНТ. Приемлемой считается прочность композита О„,„с = 100 ГПЙ При условии, что для полимерной матрицы т = 50 МПсз, а диаметр и длина УНТ равны соответственно Н) нм и ! О мкм, аспсктное Отношение составляет !000:1 141, Это соответствует максик!альному аспектнаму отношению типичного образца УНТ, полученного ду- ГОВЫМ ИСПЙРСНИСМ, И У!ШЗЫВЙЕТ Нс! НвабХОДНМОСТЬ Рс1ЗРабОТ!<И МЕ" тодов получения более длинных УНТ 14!.

Для керамических матРиц, имс1ощих саыыс малые касатсльныс напрюксния т нй границе раздела фаз, пет необходимости повышать аспсктное отношение. Достоинства фуллеренов или УНТ в качестве напалнитслей полимерной хитрицы композиционного материала связаны с тем, что они содержат двойные углеродныс связи, к которым можно присоединять полимерные цепочки, удлиняя последние и повышая механические свойства композита в целом. Более 20 видов химических соединений опробованы в качестве ъштриц композиционных матсриалоВ, В которых В кас!сстВС напалнитсля применяются однослойные и многослойные УНТ, полученные тремя основными истадами изготовлсния !!1!. Реальное повышснис механических свойств композита по сравнению с полимером может быть достигнуто в случае, сели поверхность УНТ связана с молскуламн полимера химическим взаимодействием, звергия которого в десятки раз превышает энергию ван-дерввальсава взаимодействия мсжду соседними слоями УНТ.

Наприыер, при ввсденни в эпоксидную смолу 5 % многослойной УНТ ысдуль Юнга увеличился всего с 3,1 х 0,2 до 3,71+ 0,5 ГПа. Использование однослойных УНТ в композиционных материалах для повышения их прочности приводит к более высоким результатам, чем использование многослойных УНТ (табл. 2). ДЙННЫС, Приведсиныс В табл. 2„папус1<П!Ы Нст КОМПОЗИТНЫХ НИ- твх диаметром 1'в мкм, изготовленных горячим выдавливанием (310 С) через фильсру обработанной ультразвуком н измельченной смеси нефтяной смолы и промытых в воде и кислоте УНТ. При содержании УНТ более 8 мас.

долей„%, из-за высокой вязко<тп расплава нити нс образуются. Изменснис механических свойств полимерной матрицы при введении в нсе УНТ зависит ат степени > порядочения нанотрубак в к<атсриале. Эта стспснь монотонно растет с увеличснисм степсни Растяжения.

На образцах кампозита с многослойными УНТ установлено, что растяжение в 330 % приводит к ориентационному упорядочению 58 % УНТ. Зависимость модуля Юнга от содсржавпя многослойных УНТ в коьшозите имеет прямо пропорциональный характер. Воздействие инфракрасного облучения на нанокомпозитные материалы прн их рйагюкснии исследовано на образцах в виде полосок толщиной 0,2 мм и размером 1.5х30 мм. В зависимости от концентрации УНТ изменснис напряв<сний имеет нсманотанный характер с максимумом прн 2 мас. долях, %, равным нсскалы<им десяткам паскалей. Повышение температуры при облучении не превышает 15„,20 'С. По-видимому, облучение способствует образованию хи. мических связей между УНТ и полимером.

Снижение напряжении при концентрации УНТ более 2 % может быть связано с повышена. см взаимодействия между соседними УНТ (! Ц, Наряду с упорядочением важную роль в упрочненни полимерных материалов с помощью УНТ играет степень объемной неод. народности компазнта.

На практике обеспечить однородное заполнение полимерной матрицы жгутами из сотни однослойных УНТ очень сложно. Неоднородный характер заполнении полимерной матрицы, наличие пустот, имеющих характер продольных эллиптических разломов, приводит к повышенной хрупкости композита и разрушению отдельных УНТ при сравнительна невысоких нагрузках. Вместе с тем результаты исследований указывают на высокое качество соединения (адгезии) однослойной УНТ с эпок сидным материалом.

Это соединение значительно прочнее связи УНТ в составе жгутов (! Ц. Степень неоднородности композита, содержащего нанотрубки, зависит от их концентрации. При малых ко>щентрациях легче достигается низкая степень неоднородности материала, поскольку при этом удастся диспергировать (изл|ельчнть) >кгугы УНТ, С ростом концснтрации УНТ между различно ариентированнымн жгутами образуется свободное пространство, заполненное полимерам, Наличие таких у*>астков снижасг л|ехани~|сские Свойс~~а композита, При получении кампозита для снижения его неоднородности в расплав полимера, служиций матрицей, при тсыпсратуре 260...

„. 280 'С вводят смесь полимера и 15 % УНТ, которую затем интенсивно перемешивают. Для приготовления смеси используют многослойные или однослойные УНТ са степенью очистки до 95 %. Другой подход к снижению неоднородности композита связан с использованием элсктрохимичсских методов. Поскольку нано- трубки обладают хорошей проводимостью, их можно использовать в качестве электродов электрохимическаго элемента. Это дает возможность покрыть У?1Т полимерной пленкой. Для получения однородного покрытия УНТ предварительно обрабатывают в кислоте. В работе (! Ц приведены примеры реализации последних двух методов снижения неоднородности композита. Добавленис УНТ, как и других углеродных структур, может привести к изменению механических свойств не только полимер- „мх композитов, на также конструкционных материалов на металряческой основе.

Например, добавление 5 % УНТ к алюминию вдвое увеличило Прочность композиционного материала на разрыв. Композит в виде сржней получали смешиванием алюминиевой пудры и нанотрубсх, нагреванием смеси в вакуул|е до температуры 700 'С, горячей „памповкай для спскания компакта под давлением и его после,к>щил! горячим выдавливанием. Использование объемного нерав,|сл|ериого сжатия при горячем выдавливании обеспечило воях|о>висеть расположения панатрубак вдоль Оси прсссусмаго издслия. Из расчетов следует, что при оптимальной доле УНТ в материале 10 % его прочность на разрыв должна увеличиться в шесть ррз, реально дастижимыс значения про~!Насти могут быть меньше рсредствнс воз>|ох|ности взанлшого проскальзывания трубок внутри одной многослойной тр)бки или в п) чкс, Однако прочныс связи УНТ с железом позволяют предположить, что применение их в с>элях будет эффсктив|ю (9].

Экспериментально показано, чта в результате статического рсздействия давления 3... 5 ГПа на мслкоднспсрсныс смеси металлов с фуллсритами образуются сверхтвердые фазы, отдельные часпщы которых имеют твердость до 40 ГПа и обладают повышснянии упругилп! свайствамп. Эти композиты на мсталли'|есной рснове, объемно армированные частицами алмазаподобного )тлерсда, сохрашпот свойства лшгалличсской матрицы (механические свойства, коррозионну|о стойкость.

тепло- и элсктроправодиость и рр.) в сочетании с абразивной пзносостойкостыа, на порядок прои!сходящей износостойкость лучишх сталей, и малым коэффпцпратол! трен|о! (Пор»дка 0,1), как у матс!и|алов с алмазоподобными вскрытиями. В исследованиях образцов дамасской стали (ХУ! в.) установдено, что они содержат иногослойныс УНТ диаметром 5 нм, порссти которых запал«ш|ы |пй>бидом железа, Обладаю|цим повышеииыли! твердостью н хрупкостью.