Композиты с металлической матрицей углеродных нанотрубок (CNT-MMC) представляют собой новый класс новых материалов, которые разрабатываются для использования преимуществ высокой прочности на разрыв и электропроводности материалов углеродных нанотрубок . [1] Решающее значение для реализации УНТ-ММС, обладающих оптимальными свойствами в этих областях, является разработка методов синтеза, которые (а) экономически производимы, (б) обеспечивают однородное диспергирование нанотрубок в металлической матрице и (в) приводят к сильной межфазной адгезии между металлической матрицей и углеродными нанотрубками. Поскольку разработка CNT-MMC все еще находится на стадии исследований, в настоящее время основное внимание уделяется улучшению этих двух последних областей.
Способы производства композитов с металлической матрицей, армированных углеродными нанотрубками
В соответствии с новыми производственными системами композиты с металлической матрицей, армированные углеродными нанотрубками (CNT-MMC), могут производиться несколькими различными способами. Эти методы производства: [2] [3]
Порошковая металлургия Route Technics
- Обычное спекание
- Горячее прессование [4]
- Искровое плазменное спекание
- Обработка деформации
- Горячая экструзия [5]
- Обработка полутвердого порошка [6]
Электрохимические маршруты (для неструктурных применений)
- Электроосаждение
- Химическое осаждение
- Плазменное напыление
- HVOF Распыление
- Холодное кинетическое распыление
Обработка расплава
- Кастинг
- Проникновение расплава
Новые техники
- Смешивание на молекулярном уровне
- Распыление
- Обработка сэндвичей
- Обработка кручением / трением
- CVD и PVD ( физическое осаждение из паровой фазы )
- Наноразмерная дисперсия
- Импульсное лазерное напыление
Местные методы
- Например, смешение на молекулярном уровне (при котором УНТ диспергируются в ванне с солью металла, образуя предшественник металл-УНТ).
- Методы порошковой металлургии
Спекание - один из старейших методов производственной техники, который используется для производства материалов и компонентов с контролируемой плотностью из металлических или керамических порошков с применением тепловой энергии. [7] Синтез и спекание нанокристаллических керамических порошков привлекли большое внимание из-за их многообещающих свойств. [8] Большая активная поверхность нанопорошков приводит к снижению температуры спекания по сравнению с более крупными порошками. Хотя низкотемпературное спекание подавляет рост зерен, высокая плотность границ раздела и границ зерен в нанокристаллических порошках приводит к ускоренному росту зерен во время спекания. [9]
- Обычное спекание - это простейший метод получения прессованных композиционных материалов с металлической матрицей УНТ. УНТ и металлические порошки смешиваются с помощью процесса механического легирования / смешивания, а затем сжимаются, чтобы сформировать необработанный прессованный материал, который затем спекается для получения конечного продукта. Металлические прессовки подвержены окислению по сравнению с керамикой, поэтому спекание необходимо проводить в инертной атмосфере или в вакууме. [10] Одним из основных недостатков этого способа обработки является невозможность адаптировать распределение УНТ в металлической матрице.
- Микроволновое спекание является одним из них и принципиально отличается от обычного спекания. В процессе микроволнового спекания материал нагревается изнутри и объемно, в отличие от обычного процесса, в котором тепло исходит от внешнего источника тепла. Продолжительность цикла спекания при микроволновом спекании намного короче по сравнению с обычным циклом спекания. [11]
- Искровое плазменное спекание - это совершенно новый метод, который занимает всего несколько минут для завершения процесса спекания по сравнению с обычным спеканием, которое может занять часы или даже дни. В SPS возможна высокая скорость спекания, поскольку высокие скорости нагрева могут быть легко достигнуты за счет внутреннего нагрева образца, в отличие от внешнего нагрева, наблюдаемого в случае обычного спекания. Для обычного спекания обычно необходимо подготовить сырую прессовку снаружи с использованием подходящей фильеры и гидравлической машины для приложения необходимого давления. В SPS порошок напрямую подается в графитовые фильеры, и в матрицу вставляются подходящие пуансоны. Все типы материалов, даже трудно поддающиеся уплотнению, можно легко спекать в SPS. Благодаря преимуществам высокой скорости нагрева и меньшего времени выдержки, SPS может ограничивать нежелательные реакции спекания в высокореакционных системах, в отличие от обычного спекания и, следовательно, образование нежелательных фаз продукта можно избежать. [12]
- Обработка полутвердых порошков (SPP) - это уникальный метод изготовления композитных материалов с порошковыми смесями в полутвердом состоянии. Начиная со смеси порошков металл-УНТ, металлический порошок нагревают до полутвердого состояния и прикладывают давление для образования композитов с металлической матрицей. Этот метод имеет множество преимуществ, таких как простой и быстрый процесс и гибкая настройка свойств. [13]
- Диспергирование углеродных нанотрубок и разрушение УНТ при смешивании
Одним из распространенных методов диспергирования УНТ в металлической матрице является механическое легирование. Однако многие исследователи сообщили об уменьшении длины и повреждении УНТ в процессе механического легирования. [14]
Механические свойства
Углеродные нанотрубки - это самые прочные и жесткие материалы, которые когда-либо были обнаружены, с точки зрения прочности на разрыв и модуля упругости соответственно. Эта прочность является результатом ковалентных связей sp 2, образованных между отдельными атомами углерода. Многослойные углеродные нанотрубки были испытаны на прочность на разрыв 63 гигапаскалей (ГПа). [15] Дальнейшие исследования, проведенные в 2008 году, показали, что отдельные оболочки УНТ имеют прочность до ~ 100 ГПа, что хорошо согласуется с квантово-атомистическими моделями. [16] Поскольку углеродные нанотрубки имеют низкую плотность твердого тела от 1,3 до 1,4 г / см 3 , [17] их удельная прочность до 48 000 кН · м · кг -1 является лучшим из известных материалов по сравнению с материалами с высокой плотностью. углеродистая сталь 154 кН · м · кг -1 . УНТ не так прочны при сжатии. Из-за своей полой структуры и высокого удлинения они имеют тенденцию к короблению при воздействии сжимающих, скручивающих или изгибающих напряжений. [18]
Материал | Модуль Юнга (ТПа) | Прочность на разрыв (ГПа) | Относительное удлинение при разрыве (%) |
---|---|---|---|
SWNT E | ~ 1 (от 1 до 5) | 13–53 | 16 |
Кресло SWNT T | 0,94 | 126,2 | 23,1 |
Зигзаг SWNT T | 0,94 | 94,5 | 15,6–17,5 |
Хиральный SWNT | 0,92 | ||
MWNT E | 0,2 [15] –0,8 [23] –0,95 [15] | 11 [15] –63 [15] –150 [23] | |
Нержавеющая сталь E | 0,186 [24] –0,214 [25] | 0,38 [24] –1,55 [25] | 15–50 |
Кевлар –29 и 149 E | 0,06–0,18 [26] | 3,6–3,8 [26] | ~ 2 |
E Экспериментальное наблюдение; T Теоретическое предсказание
Возможные приложения
Наносеть
Ожидается, что наносети расширят возможности отдельных наномашин как с точки зрения сложности, так и диапазона операций, позволяя им координировать, совместно использовать и объединять информацию. Композиты с металлической матрицей CNT открывают новые возможности применения нанотехнологий в военной технике, а также в промышленности и товарах.
Наноробототехника
Наномашины в основном находятся на стадии исследований и разработок [27], но некоторые примитивные молекулярные машины были протестированы. Примером может служить датчик с переключателем диаметром примерно 1,5 нанометра, способный подсчитывать определенные молекулы в химическом образце. Первыми полезными применениями наномашин могут быть медицинские технологии [28], которые можно использовать для идентификации и уничтожения раковых клеток. [29] [30] Еще одно возможное применение - обнаружение токсичных химикатов и измерение их концентраций в окружающей среде. Кроме того, композит CNT-MM будет основным материалом для военных роботов, особенно для усиления брони роботов-солдат.
Будущий солдат
Сегодняшние военные часто используют высококачественные шлемы из баллистических материалов, таких как кевлар и арамид , которые обеспечивают улучшенную защиту. Некоторые шлемы также обладают хорошими небаллистическими защитными качествами, а многие - нет. [31] Небаллистические травмы могут быть вызваны многими причинами, такими как ударные волны от взрывов , физических атак, дорожно-транспортных происшествий или падений. [32] Еще одно приложение для будущего солдата - это система экзоскелета с питанием. Приводной экзоскелет , также известный как силовая броня или экзоскелет, представляет собой подвижную машину с приводом, состоящую в основном из каркаса, похожего на экзоскелет, который носит человек, и источника питания, который обеспечивает, по крайней мере, часть энергии активации для движения конечностей. Активные экзоскелеты предназначены для защиты солдат и офицеров. В настоящее время Массачусетский технологический институт работает над боевыми куртками, в которых используются волокна CNT для остановки пуль и для наблюдения за состоянием владельца. [33]
Усовершенствованная модульная защита брони
Advanced Modular Armor Protection (AMAP) - это концепция модульной композитной брони , разработанная немецкой компанией IBD Deisenroth Engineering . По заявлению IBD, AMAP - это композитная броня 4-го поколения, в которой используются нанокерамика и современные технологии легирования стали. [34] AMAP использует новые передовые стальные сплавы, алюминиево-титановые сплавы, нанометровые стали, керамику и нанокерамику. Для новой высокопрочной стали требуется на 30% меньше толщины, чтобы обеспечить такой же уровень защиты, как и для стали ARMOX500Z High Hard Armor. [34] В то время как титан требует только 58% такого же веса , как прокатке однородная брони (RHA) для достижения такого же уровня защиты, Мат 7720 новый , недавно разработанный алюминиево-титановый сплав, необходимо только 38% от веса. [34] Это означает, что этот сплав более чем в два раза защитнее, чем RHA того же веса.
AMAP также использует новую нанокерамику, которая тверже и легче, чем нынешняя керамика, но при этом способна наносить множественные удары. Обычная керамическая плитка и подкладка имеют значение массового КПД (E M ) 3 по сравнению с обычной стальной броней, в то время как она соответствует стандарту STANAG 4569 . Новые нанокристаллические керамические материалы должны повысить твердость по сравнению с существующей керамикой на 70%, а снижение веса составит 30%, поэтому значение E M больше 4. [34] Кроме того, более высокая вязкость разрушения увеличивает общую многокомпонентность. возможность поражения. Некоторые модули AMAP могут состоять из этой новой керамической плитки, наклеенной на подкладку и покрытой крышкой, концепция, которая также используется MEXAS . [35] Легкая броня SLAT также является частью семейства AMAP.
Нано броня
Проект TK-X (MBT-X), новая конструкция основного боевого танка Type 10 использует композицию модульных компонентов из нанокристаллической стали (без стали тройной твердости), модульной керамической композитной брони, частично усиленной MMC и облегченной верхней брони.
Материомика
Материомика определяется как изучение свойств природных и синтетических материалов путем изучения фундаментальных связей между процессами, структурами и свойствами в различных масштабах, от нано до макро, с использованием систематических экспериментальных, теоретических или вычислительных методов и относится к изучению процессы, структуры и свойства материалов с фундаментальной, систематической точки зрения путем включения всех соответствующих масштабов, от нано до макро, в синтез и функционирование материалов и структур. Интегрированный взгляд на эти взаимодействия на всех уровнях упоминается как материом материала.
Материомика включает изучение широкого спектра материалов, включая металлы, керамику и полимеры, а также биологические материалы и ткани и их взаимодействие с синтетическими материалами. Материомика находит применение в выяснении биологической роли материалов в биологии, например, в развитии и диагностике или лечении заболеваний. Другие предложили применить концепции материомики, чтобы помочь определить новые материальные платформы для приложений тканевой инженерии, например, для разработки биоматериалов de novo. Материомика также может быть многообещающей для нанонауки и нанотехнологий, где понимание материальных концепций во многих масштабах может позволить восходящую разработку новых структур и материалов или устройств, включая биомиметические и биоинспирированные структуры.
Наното
Нанотрудно получить более глубокое понимание межфазной структуры нанокомпозитов в полиолефиновой матрице и, таким образом, использовать наночастицы, такие как наноглина, чтобы перевернуть конструкцию ряда хорошо известных продуктов, где сегодня металлы или пластмассы используются, например, в автомобилях или самолет. Проект позволит реализовать огромный потенциал этих материалов за счет разработки новых многофазных и гибридных нанокомпозитов.
Проект Nanotough направлен на повышение жесткости полиолефиновых нанокомпозитов при не только сохранении, но и значительном улучшении вязкости матрицы. Техническая цель заключается в оптимизации и, благодаря новому дизайну интерфейса , разработке новых экономичных гибридных нанокомпозитов (нанонаполнитель-волокно) в качестве альтернативы сильно наполненным полимерам и дорогим инженерным полимерам, а также выполнение отраслевых требований к высокоэффективным материалам для высокотехнологичных приложений. [36]
Рекомендации
- ^ Джанас, Давид; Лиска, Барбара (2017). «Нанокомпозиты с медной матрицей на основе углеродных нанотрубок или графена». Матер. Chem. Фронт . 2 : 22–35. DOI : 10.1039 / C7QM00316A .
- ^ С.Р. Бакши, Д. Лахири и А. Аргавал, Композиты с металлической матрицей, армированные углеродными нанотрубками - Обзор , Международные обзоры материалов, вып. 55, стр.41 (2010), http://web.eng.fiu.edu/agarwala/PDF/2010/12.pdf
- ^ Арвинд Агарвал, Шриниваса Рао Бакши, Дебрупа Лахири, Композиты с металлической матрицей , армированные углеродными нанотрубками , CRC Press, стр. (4-5-6-7-8), http://www.crcpress.com
- ^ Suarez, S .; Lasserre, F .; Прат, О .; Мюклих, Ф. (2014). «Обработка и оценка межфазной реакции в объемных композитах MWNT / Ni». Physica Status Solidi . 211 : 1555–1561. DOI : 10.1002 / pssa.201431018 .
- ^ Мортазави, Маджид; Majzoobi, GH; Нозад, Джорджия; Рейхани, А; Мортазави, Z; Горжи, М. Салех (2012). «Изготовление и механические свойства алюминиевых композитов, армированных MWCNTs, методом горячей экструзии» . Редкие металлы . 31 : 372–378. DOI : 10.1007 / s12598-012-0523-6 .
- ^ Ву Юфэн; Зазор; Ким, Ён (2011). «Алюминиевый композит, армированный углеродными нанотрубками, полученный методом полутвердой порошковой обработки». Журнал технологий обработки материалов . 211 (8): 1341–1347. DOI : 10.1016 / j.jmatprotec.2011.03.007 .
- ^ Сук-Джунг, Л. Кан Спекание -Densification, зерна Рост и Микроструктура , Elsevier Баттерворта-Heinemann, 2005, ISBN 0-7506-6385-5 , стр.3
- ^ В. В. Срдич, М. Винтерер и Х. Хан, Поведение при спекании нанокристаллического диоксида циркония, легированного оксидом алюминия, полученного химическим паровым синтезом, J. Am. Ceram. Soc. , 83, 1853-60 (2000).
- ^ Драйвер, JH (2004). «Устойчивость наноструктурированных металлов и сплавов». Scripta Materialia . 51 (8): 819–823. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2004.05.014 .
- ^ Арвинд Агарвал, Сриниваса Рао Бакши, Дебрупа Лахири, Композиты с металлической матрицей , армированные углеродными нанотрубками , CRC Press, стр.20, http://www.crcpress.com ,
- ^ А. Мондал, А. Upadhaya, Д. Агроэл СВЧ и обычные спекание предварительно смешивают и сплавленный вольфрама тяжелых сплавов , 2008 Массспектр & T08, p.2502 (2008)
- ^ Материалы и металлургическая инженерия Индийский технологический институт Канпур, Искровое плазменное спекание , http://www.iitk.ac.in/biomaterialslab/Spark%20Plasma%20Sintering.pdf , стр.2
- ^ Ву Юфэн; Йонг Ким, Gap; Рассел, Алан (2012). «Влияние механического легирования на композит Al6061 – УНТ, полученный методом полутвердой порошковой обработки». Материалы Наука и техника: A . 538 : 164–172. DOI : 10.1016 / j.msea.2012.01.025 .
- ^ Ву Юфэн; Йонг Ким, Gap; Рассел, Алан (2012). «Механическое сплавление углеродных нанотрубок и порошка Al6061 для композитов с металлической матрицей». Материалы Наука и техника: A . 532 : 558–566. DOI : 10.1016 / j.msea.2011.10.121 .
- ^ а б в г д Ю Мин-Фэн; Лурье, Олег; Дайер, Марк Дж .; Молони, Катерина; Келли, Томас Ф .; Руофф, Родни С. (28 января 2000 г.). «Прочность и механизм разрушения многослойных углеродных нанотрубок при растягивающей нагрузке». Наука . 287 (5453): 637–640. Bibcode : 2000Sci ... 287..637Y . DOI : 10.1126 / science.287.5453.637 . PMID 10649994 .
- ^ Peng, B .; Locascio, M .; Запол, П .; Li, S .; Mielke, SL; Schatz, GC; Эспиноза, HD (2008). «Измерения предельной прочности для многослойных углеродных нанотрубок и улучшения сшивания, вызванного облучением». Природа Нанотехнологии . 3 (10): 626–631. DOI : 10.1038 / nnano.2008.211 . PMID 18839003 .
- ^ Коллинз, Филип Г. (2000). «Нанотрубки для электроники» (PDF) . Scientific American : 67–69. Архивировано из оригинального (PDF) 27 июня 2008 года.
- ^ Jensen, K .; Mickelson, W .; Кис, А .; Зеттл, А. (2007). «Измерение силы выпучивания и изгиба на отдельных многослойных углеродных нанотрубках». Phys. Rev. B . 76 (19): 195436. Bibcode : 2007PhRvB..76s5436J . DOI : 10.1103 / Physrevb.76.195436 .
- ^ Беллуччи, С. (19 января 2005 г.). «Углеродные нанотрубки: физика и приложения». Physica Статус Solidi C . 2 (1): 34–47. Bibcode : 2005PSSCR ... 2 ... 34B . DOI : 10.1002 / pssc.200460105 .
- ^ Чэ, Хан Ги; Кумар, Сатиш (26 января 2006 г.). «Жесткие стержневые полимерные волокна». Журнал прикладной науки о полимерах . 100 (1): 791–802. DOI : 10.1002 / app.22680 .
- ^ Мео, Микеле; Росси, Марко (3 февраля 2006 г.). «Предсказание модуля Юнга одностенных углеродных нанотрубок с помощью молекулярно-механического моделирования методом конечных элементов». Композиты науки и техники . 66 (11–12): 1597–1605. DOI : 10.1016 / j.compscitech.2005.11.015 .
- ^ Синнотт, Сьюзен Б .; Эндрюс, Родни (июль 2001). «Углеродные нанотрубки: синтез, свойства и применение». Критические обзоры в области твердого тела и материаловедения . 26 (3): 145–249. Bibcode : 2001CRSSM..26..145S . DOI : 10.1080 / 20014091104189 .
- ^ а б Демчик, Б.Г.; Ван, Y; Камингс, Дж; Гетьман, М; Хан, Вт; Зеттл, А; Ричи, Р. (2002). «Прямое механическое измерение прочности на разрыв и модуля упругости многослойных углеродных нанотрубок». Материаловедение и инжиниринг . 334 (1–2): 173–178. DOI : 10.1016 / S0921-5093 (01) 01807-X .
- ^ a b Австралийская ассоциация разработчиков нержавеющей стали (ASSDA) - Свойства нержавеющей стали
- ^ a b Нержавеющая сталь - 17-7PH (Fe / Cr17 / Ni 7) Информация о материалах, заархивированная 19 июля 2011 г., на Wayback Machine
- ^ а б HD Вагнер (2002). «Армирование» (PDF) . Энциклопедия полимерной науки и технологии . Джон Вили и сыновья. DOI : 10.1002 / 0471440264.pst317 . ISBN 0471440264.
- ^ Ван, Дж. (2009). «Могут ли созданные человеком наномашины конкурировать с природными биомоторами?». САУ Нано . 3 (1): 4–9. DOI : 10.1021 / nn800829k . PMID 19206241 .
- ^ Амруте-Наяк, М .; Diensthuber, RP; Steffen, W .; Kathmann, D .; Hartmann, FK; Федоров, Р .; Urbanke, C .; Манштейн, диджей; Brenner, B .; Циавалиарис, Г. (2010). «Целенаправленная оптимизация белковой наномашины для работы в биогибридных устройствах». Angewandte Chemie . 122 (2): 322–326. DOI : 10.1002 / ange.200905200 .
- ^ Патель, GM; Патель, GC; Патель, РБ; Патель, Дж. К.; Патель, М. (2010). «Наноробот: универсальный инструмент в наномедицине». Журнал нацеливания на лекарства . 14 (2): 63–67. DOI : 10.1080 / 10611860600612862 . PMID 16608733 .
- ^ Wang, J .; и другие. (2011). «Микромашина позволяет улавливать и изолировать раковые клетки в сложных средах» . Энгью. Chem. Int. Эд . 50 (18): 4161–4165. DOI : 10.1002 / anie.201100115 . PMC 3119711 . PMID 21472835 .
- ^ Kevlar PASGT шлем
- ^ http://www.operation-helmet.org
- ^ "Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института" . Web.mit.edu . Проверено 26 февраля 2010 .
- ^ а б в г Майкл Раст. «Концепции пассивной защиты» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 8 октября 2011 года . Проверено 15 декабря 2010 года .
- ^ Графический рендеринг из IBD-Deisenroth-Engineering.de под названием stream_sandwich.wmv в архив 2011-10-08 в Wayback Machine
- ^ «О Nanotough на Nanotough.aau.dk» . Архивировано из оригинала на 2012-03-21 . Проверено 12 октября 2011 .