Kompozity z kovové matrice z uhlíkových nanotrubic - Carbon nanotube metal matrix composites

Část série článků o
Nanotechnologie
Dopad a aplikace
Nanomateriály
Molekulární vlastní montáž
Nanoelektronika
Nanometrologie
Molekulární nanotechnologie
  • Aplikace Nuvola kalzium.svg Vědecký portál
  • Telecom-icon.svg Technologický portál
Část série článků o
Nanomateriály
C60-rods.png
Uhlíkové nanotrubice
Fullereny
jiný nanočástice
Nanostrukturované materiály
  • Aplikace Nuvola kalzium.svg Vědecký portál
  • Telecom-icon.svg Technologický portál

Uhlíkové nanotrubičky s kovovou matricí (CNT-MMC) jsou rozvíjející se třídou nových materiálů, které jsou vyvíjeny za účelem využití vysoké pevnosti v tahu a elektrické vodivosti uhlíková nanotrubice materiály.[1] Pro realizaci CNT-MMC, které mají v těchto oblastech optimální vlastnosti, je rozhodující vývoj syntetických technik, které jsou (a) ekonomicky vyrobitelné, (b) zajišťují homogenní disperzi nanotrubiček v kovové matrici a (c) vedou k silným mezipovrchová adheze mezi kovovou matricí a uhlíkovými nanotrubičkami. Vzhledem k tomu, že vývoj CNT-MMC je stále ve fázi výzkumu, je v současné době primárně zaměřeno na zdokonalování těchto dvou posledních oblastí.

Metody výroby kompozitů z uhlíkových nanotrubiček vyztužených kovovou matricí

Podle nových výrobních systémů lze uhlíkové nanotrubice vyztužené kompozity kovové matrice (CNT-MMC) vyrábět několika různými způsoby. Jedná se o tyto výrobní metody:[2][3]

Prášková metalurgie Route Technics

  1. Konvenční slinování
  2. Lisování za horka [4]
  3. Sparkové plazmové slinování
  4. Zpracování deformace
  5. Horké vytlačování [5]
  6. Zpracování polotuhého prášku [6]

Elektrochemické trasy (pro nestrukturální aplikace)

  1. Elektro-depozice
  2. Bezproudové nanášení

Tepelné stříkání

  1. Plazmové stříkání
  2. Stříkání HVOF
  3. Studené kinetické stříkání

Zpracování taveniny

  1. Casting
  2. Infiltrace taveniny

Nové techniky

  1. Míchání na molekulární úrovni
  2. Prskání
  3. Zpracování sendvičů
  4. Zpracování kroucení / tření
  5. CVD a PVD (Fyzikální depozice par )
  6. Disperze v nanoměřítku
  7. Pulzní laserová depozice

Domorodé techniky

  1. Jako je míchání na molekulární úrovni (při kterém jsou CNT dispergovány do lázně kov-sůl za vzniku prekurzoru kov-CNT).
Techniky práškové metalurgie

Slinování je jednou z nejstarších metod ve výrobní technice a používá se k výrobě materiálů a komponent s řízenou hustotou z kovových nebo keramických prášků pomocí tepelné energie.[7] Syntéza a slinování nanokrystalických keramických prášků přilákaly díky svým slibným vlastnostem velkou pozornost.[8] Vysoká aktivní povrchová plocha nanoprášků vede ke snížení teploty slinování ve srovnání s hrubšími prášky. Ačkoli nízkoteplotní slinování potlačuje růst zrna, vysoká hustota rozhraní a hranice zrn v nanokrystalických prášcích vede k zrychlenému růstu zrn během slinování.[9]

  1. Konvenční Slinování je nejjednodušší metoda pro výrobu kompozitních kompaktů z kovové matrice CNT. CNT a kovové prášky se mísí procesem mechanického legování / míchání a poté se lisují za vzniku zeleného kompaktu, který se potom slinuje za získání konečného produktu. Kovové výlisky ve srovnání s keramikou podléhají oxidaci, a proto se slinování musí provádět v inertní atmosféře nebo ve vakuu.[10] Jednou z hlavních nevýhod této cesty zpracování je neschopnost přizpůsobit distribuci CNT v kovové matrici.
  2. Mikrovlnné slinování je jedním z nich a zásadně se liší od konvenčního slinování. V procesu mikrovlnného slinování se materiál zahřívá interně a objemově na rozdíl od konvenčního procesu, kde teplo pochází z externího zdroje ohřevu. Doba slinovacího cyklu pro mikrovlnné slinování je mnohem kratší ve srovnání s běžným slinovacím cyklem.[11]
  3. Sparkování plazmové jiskry je zcela nová technika, která trvá jen několik minut, než se proces slinování dokončí ve srovnání s konvenčním slinováním, což může trvat hodiny nebo dokonce dny. U SPS je možná vysoká rychlost slinování, protože vysokých rychlostí ohřevu lze snadno dosáhnout v důsledku vnitřního ohřevu vzorku na rozdíl od vnějšího ohřevu, který je vidět v případě běžného slinování. U konvenčního slinování je obvykle nutné zelenou kompaktní hmotu připravit externě pomocí vhodné matrice a hydraulického stroje pro vyvíjení potřebného tlaku. V SPS je prášek přiváděn přímo do grafitových matric a matrice je uzavřena vhodnými razníky. Ve SPS lze snadno slinovat všechny druhy materiálů, i ty, které se obtížně zhušťují. Díky výhodám vysoké rychlosti ohřevu a kratší doby výdrže může SPS omezit nežádoucí slinovací reakce ve vysoce reaktivních systémech na rozdíl od konvenčního slinování, a tím i tvorby nežádoucích látek. lze se vyhnout fázím produktu.[12]
  4. Zpracování polotuhého prášku (SPP) je jedinečná metoda, která vyrábí kompozitní materiály s práškovými směsmi v polotuhém stavu. Počínaje práškovou směsí kov-CNT se kovový prášek zahřívá do polotuhého stavu a aplikuje se tlak za vzniku kompozitů s kovovou matricí. Tato metoda má mnoho výhod, jako je jednoduchý a rychlý proces a flexibilní přizpůsobení vlastností.[13]
Rozptyl uhlíkových nanotrubiček a rozbití CNT během míchání

Jednou běžnou metodou pro disperzi CNT do kovové matrice je mechanické legování. Mnoho vědců však uvádělo zmenšení délky a poškození CNT během procesu mechanického legování.[14]

Mechanické vlastnosti

Uhlíkové nanotrubice jsou nejpevnější a nejpevnější materiály, jaké byly dosud objeveny pevnost v tahu a modul pružnosti resp. Tato síla je výsledkem kovalentní sp2 vazby vytvořené mezi jednotlivými atomy uhlíku. Vícevrstvá uhlíková nanotrubice byla testována na pevnost v tahu 63gigapascalů (GPa).[15] Další studie provedené v roce 2008 odhalily, že jednotlivé skořápky CNT mají sílu až ~ 100 GPa, což je v dobré shodě s kvantovými / atomistickými modely.[16] Vzhledem k tomu, že uhlíkové nanotrubice mají nízkou hustotu pro pevnou látku 1,3 až 1,4 g / cm3,[17] své specifická síla až 48 000 kN · m · kg−1 je nejlepší ze známých materiálů ve srovnání s 154 kN · m · kg vysoce uhlíkové oceli−1. CNT nejsou při kompresi zdaleka tak silné. Kvůli své duté struktuře a vysokému poměru stran mají tendenci podstoupit vzpěr když jsou vystaveny tlakovému, torznímu nebo ohybovému namáhání.[18]

Porovnání mechanických vlastností[19][20][21][22]
MateriálYoungův modul (TPa)Pevnost v tahu (GPa)Prodloužení po přetržení (%)
SWNTE~ 1 (od 1 do 5)13–5316
Křeslo SWNTT0.94126.223.1
Cikcak SWNTT0.9494.515.6–17.5
Chirální SWNT0.92
MWNTE0.2[15]–0.8[23]–0.95[15]11[15]–63[15]–150[23]
Nerezová ocelE0.186[24]–0.214[25]0.38[24]–1.55[25]15–50
Kevlar –29&149E0.06–0.18[26]3.6–3.8[26]~2

EExperimentální pozorování; TTeoretická predikce

Potenciální aplikace

Exponát „budoucí voják“, určený pro Americká armáda
Typ 10 MBT se skládá z nanokrystalické oceli (nebo oceli Triple Hardness Steel), modulárního keramického kompozitního brnění, lehkého horního brnění.
Leopard 2SG z Singapurská armáda vylepšeno o AMAP Composite Armor od IBD & ST Kinetics

Nanosíť

Očekává se, že nanosítě rozšíří schopnosti jednotlivých nanostrojů jak z hlediska složitosti, tak rozsahu provozu tím, že jim umožní koordinovat, sdílet a spojovat informace. Kompozity s kovovou matricí CNT umožňují nové aplikace nanotechnologií ve vojenských technologiích a průmyslových a zboží.

Nanorobotika

Nanomachines jsou z velké části ve fázi výzkumu a vývoje,[27] ale nějaký primitivní molekulární stroje byly testovány. Příkladem je senzor s přepínáním přibližně 1,5 nanometru, schopný počítat specifické molekuly v chemickém vzorku. První užitečné aplikace nanostrojů mohou být v lékařské technologii,[28] které by mohly být použity k identifikaci a zničení rakovinných buněk.[29][30] Další možnou aplikací je detekce toxických chemikálií a měření jejich koncentrací v životním prostředí. Kromě toho bude kompozit CNT-MM hlavním materiálem pro vojenské roboty, zejména k posílení zbroje vojáků robotů.

Budoucí voják

Dnešní armády často používají vysoce kvalitní přilby vyrobené z balistických materiálů, jako jsou Kevlar a Aramid, které nabízejí vylepšenou ochranu. Některé přilby mají také dobré nebalistické ochranné vlastnosti, ačkoli mnohé ne.[31] Nebalistická zranění mohou být způsobena mnoha věcmi, například otřesem mozku rázové vlny z exploze, fyzické útoky, nehody motorových vozidel nebo pády.[32] Další aplikací pro budoucího vojáka je systém exoskeletonů. Napájení exoskeleton, také známý jako motorový pancíř nebo exoframe, je poháněný mobilní stroj sestávající primárně z kostry podobné exoskeletonu, kterou nosí osoba, a napájecího zdroje, který dodává alespoň část aktivační energie pro pohyb končetin. Poháněné exoskeletony jsou určeny k pomoci a ochraně vojáků a důstojníků. V současné době MIT pracuje na bojových bundách, které používají vlákna CNT k zastavení kulek a ke sledování stavu nositele.[33]

Pokročilá modulární ochrana brnění

Pokročilá modulární ochrana brnění (AMAP) je modulární kompozitní brnění koncept, vyvinutý německou společností IBD Deisenroth Engineering. Podle IBD je AMAP kompozitní pancéřování 4. generace využívající nano-keramiku a moderní technologie z ocelových slitin.[34]AMAP využívá nové pokročilé ocelové slitiny, slitiny hliníku a titanu, nanometrické oceli, keramiku a nano-keramiku. Nová vysoce kalená ocel potřebuje o 30% menší tloušťku, aby nabídla stejnou úroveň ochrany jako ocel ARMOX500Z High Hard Armor.[34]Zatímco Titan vyžaduje pouze 58% hmotnosti válcované homogenní brnění (RHA) pro dosažení stejné úrovně ochrany, Rohož 7720 nová, nově vyvinutá slitina hliníku a titanu, potřebuje pouze 38% hmotnosti.[34] To znamená, že tato slitina je více než dvakrát tak ochranná jako RHA stejné hmotnosti.

AMAP také využívá novou nano-keramiku, která je tvrdší a lehčí než současná keramika a má schopnost více zásahů. Normální keramické dlaždice a krycí vrstva mají hmotnostní účinnost (napřM) hodnota 3 ve srovnání s běžným ocelovým pancířem, i když splňuje STANAG 4569. Nové nanokrystalické keramické materiály by měly zvýšit tvrdost ve srovnání se současnou keramikou o 70% a snížení hmotnosti je 30%, proto EM hodnota je větší než 4.[34] Navíc vyšší lomová houževnatost zvyšuje obecnou schopnost více úderů. Některé moduly AMAP se mohou skládat z této nové keramický dlaždice nalepené na podložce a překryté krytem, ​​což je koncept, který také používá MEXAS.[35] Lehká váha SLAT brnění je také součástí rodiny AMAP.

Nano brnění

Projekt TK-X (MBT-X), nový Typ 10 hlavní design bojového tanku používá složení modulárních komponentů z nanokrystalické oceli (ani Triple Hardness Steel), modulárního keramického kompozitního brnění, částečně vyztuženého MMC a lehkého horního brnění.

Materiomika

Materiomika je definována jako studium materiálových vlastností přírodních a syntetických materiálů zkoumáním základních vazeb mezi procesy, strukturami a vlastnostmi v různých měřítcích, od nano po makro, za použití systematických experimentálních, teoretických nebo výpočetních metod a odkazuje na studium procesy, struktury a vlastnosti materiálů ze základní, systematické perspektivy začleněním všech příslušných měřítek, od nano po makro, do syntézy a funkce materiálů a struktur. Integrovaný pohled na tyto interakce na všech stupnicích se označuje jako materiál materiálu.

Materiomika zahrnuje studium široké škály materiálů, které zahrnují kovy, keramiku a polymery i biologické materiály a tkáně a jejich interakci se syntetickými materiály. Materiomika nachází uplatnění při objasňování biologické role materiálů v biologii, například při progresi a diagnostice nebo léčbě nemocí. Jiní navrhli použít materiomické koncepty, které pomohou identifikovat nové materiálové platformy pro aplikace tkáňového inženýrství, například pro vývoj biomateriálů de novo. Materiomika může také obsahovat přísliby pro nanovědu a nanotechnologii, kde by pochopení materiálových konceptů v různých měřítcích mohlo umožnit vývoj nových struktur a materiálů nebo zařízení zdola nahoru, včetně biomimetických a biologicky inspirovaných struktur.

Nanotough

Nanotough má získat hlubší pochopení mezifázové struktury nanokompozitů v rámci a polyolefin matice a tedy použít nanočástice jako nanoclay obrátit vzhůru nohama konstrukci řady známých produktů, kde se dnes používají kovy nebo plasty například v automobilech nebo letadlech. Projekt umožní realizaci velkého výkonového potenciálu těchto materiálů prostřednictvím vývoje nových vícefázových a hybridních nanokompozitů.

Projekt Nanotough si klade za cíl zlepšit tuhost polyolefinových nanokompozitů a zároveň nejen výrazně zachovat, ale také zlepšit houževnatost matrice. Technickým cílem je optimalizovat a prostřednictvím románu design rozhraní, vyvinout nové nákladově efektivní hybridní nanokompozity (vlákna nanovláken) jako alternativu k silně naplněným polymery a drahé technické polymery a splňují průmyslové požadavky na vysoce výkonné materiály v high-tech aplikacích.[36]

Reference

  1. ^ Janas, Dawid; Liszka, Barbara (2017). "Nanokompozity s měděnou matricí na bázi uhlíkových nanotrubiček nebo grafenu". Mater. Chem. Přední. 2: 22–35. doi:10.1039 / C7QM00316A.
  2. ^ S. R. Bakshi, D. Lahiri a A. Argawal, Uhlíkové nanotrubice vyztužené kompozity kovové matrice - recenze, International Materials Reviews, sv. 55, s. 41 (2010), http://web.eng.fiu.edu/agarwala/PDF/2010/12.pdf
  3. ^ Arvind Agarwal, Srinivasa Rao Bakshi, Debrupa Lahiri, Uhlíkové nanotrubice vyztužené kompozity kovové matrice, CRC Press, str. (4-5-6-7-8), http://www.crcpress.com
  4. ^ Suarez, S .; Lasserre, F .; Prat, O .; Mücklich, F. (2014). "Zpracování a vyhodnocení mezifázové reakce v hromadných kompozitech MWNT / Ni". Physica Status Solidi A. 211: 1555–1561. doi:10.1002 / pssa.201431018.
  5. ^ Mortazavi Majid, G. H. Majzoobi, Golikand A. Noozad, A. Reihani, S. Z. Mortazavi, M. S. Gorji, 2012 Výroba a mechanické vlastnosti hliníkových kompozitů vyztužených MWCNT vytlačováním za tepla , Rare Metals, Svazek 31, Vydání 4, str. 372-378, doi 10,1007% 2Fs12598-012-0523-6
  6. ^ Wu, Yufeng; Mezera; Kim, Yong (2011). „Uhlíkový nanotrubice vyztužený hliníkový kompozit vyrobený zpracováním polotuhého prášku“. Journal of Materials Processing Technology. 211 (8): 1341–1347. doi:10.1016 / j.jmatprotec.2011.03.007.
  7. ^ Suk-Joong, L. Kang Slinování - hustota, růst zrna a mikrostruktura, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005, ISBN  0-7506-6385-5, str.3
  8. ^ V.V. Srdic, M. Winterer a H. Hahn, slinovací chování nanokrystalického oxidu zirkoničitého dopovaného oxidem hlinitým připraveným chemickou syntézou par, J. Am. Ceram. Soc., 83, 1853-60 (2000).
  9. ^ Driver, J. H. (2004). "Stabilita nanostrukturovaných kovů a slitin". Scripta Materialia. 51 (8): 819–823. doi:10.1016 / j.scriptamat.2004.05.014.
  10. ^ Arvind Agarwal, Srinivasa Rao Bakshi, Debrupa Lahiri, Uhlíkové nanotrubice vyztužené kompozity kovové matrice , CRC Press, str.20, http://www.crcpress.com,
  11. ^ A. Mondal, A. Upadhaya, D. Agrawal Mikrovlnné a konvenční slinování předem smíchaných a předem legovaných slitin těžkého wolframu, 2008 MS & T08, str. 2502 (2008)
  12. ^ Materiálové a metalurgické inženýrstvíIndian Institute of Technology Kanpur, Sparkové plazmové slinování,http://www.iitk.ac.in/biomaterialslab/Spark%20Plasma%20Sintering.pdf, str.2
  13. ^ Wu, Yufeng; Yong Kim, Gap; Russell, Alan (2012). „Účinky mechanického legování na kompozit Al6061 – CNT vyrobený zpracováním polotuhého prášku“. Věda o materiálech a inženýrství: A. 538: 164–172. doi:10.1016 / j.msea.2012.01.025.
  14. ^ Wu, Yufeng; Yong Kim, Gap; Russell, Alan (2012). "Mechanické legování uhlíkové nanotrubice a prášku Al6061 pro kompozity s kovovou matricí". Věda o materiálech a inženýrství: A. 532: 558–566. doi:10.1016 / j.msea.2011.10.121.
  15. ^ A b C d E Yu, Min-Feng; Lourie, Oleg; Dyer, Mark J .; Moloni, Kateřina; Kelly, Thomas F .; Ruoff, Rodney S. (28. ledna 2000). „Mechanismus pevnosti a rozbití vícestěnných uhlíkových nanotrubiček pod tahovou zátěží“. Věda. 287 (5453): 637–640. Bibcode:2000Sci ... 287..637Y. doi:10.1126 / science.287.5453.637. PMID  10649994.
  16. ^ Peng, B .; Locascio, M .; Zapol, P .; Li, S .; Mielke, S.L .; Schatz, G. C .; Espinosa, H. D. (2008). „Měření téměř konečné pevnosti pro vícestěnné uhlíkové nanotrubice a vylepšení zesíťování vyvolané ozářením“. Přírodní nanotechnologie. 3 (10): 626–631. doi:10.1038 / nnano.2008.211. PMID  18839003.
  17. ^ Collins, Philip G. (2000). „Nanotrubice pro elektroniku“ (PDF). Scientific American: 67–69. Archivovány od originál (PDF) dne 2008-06-27.
  18. ^ Jensen, K .; Mickelson, W .; Kis, A .; Zettl, A. (2007). „Měření vzpěrné a smykové síly na jednotlivých uhlíkových nanotrubičkách s více stěnami“. Phys. Rev. B. 76 (19): 195436. Bibcode:2007PhRvB..76s5436J. doi:10.1103 / physrevb.76.195436.
  19. ^ Bellucci, S. (19. ledna 2005). "Uhlíkové nanotrubice: fyzika a aplikace". Physica Status Solidi C.. 2 (1): 34–47. Bibcode:2005PSSCR ... 2 ... 34B. doi:10.1002 / pssc.200460105.
  20. ^ Chae, Han Gi; Kumar, Satish (26. ledna 2006). "Polymerní vlákna z tuhé tyče". Journal of Applied Polymer Science. 100 (1): 791–802. doi:10,1002 / aplikace 22680.
  21. ^ Meo, Michele; Rossi, Marco (3. února 2006). „Predikce Youngova modulu jednostěnných uhlíkových nanotrubiček metodou konečných prvků založenou na molekulární mechanice“. Kompozitní věda a technologie. 66 (11–12): 1597–1605. doi:10.1016 / j.compscitech.2005.11.015.
  22. ^ Sinnott, Susan B.; Andrews, Rodney (červenec 2001). "Uhlíkové nanotrubice: syntéza, vlastnosti a aplikace". Kritické recenze ve vědách o pevném stavu a materiálech. 26 (3): 145–249. Bibcode:2001CRSSM..26..145S. doi:10.1080/20014091104189.
  23. ^ A b Demczyk, B.G .; Wang, Y; Cumings, J; Hetman, M; Han, W; Zettl, A; Ritchie, R (2002). "Přímé mechanické měření pevnosti v tahu a modulu pružnosti vícestěnných uhlíkových nanotrubiček". Věda o materiálech a inženýrství A. 334 (1–2): 173–178. doi:10.1016 / S0921-5093 (01) 01807-X.
  24. ^ A b Australská asociace pro rozvoj nerezové oceli (ASSDA) - Vlastnosti nerezové oceli
  25. ^ A b Nerezová ocel - 17-7PH (Fe / Cr17 / Ni 7) Informace o materiálu Archivováno 19. července 2011, v Wayback Machine
  26. ^ A b H. D. Wagner (2002). „Posílení“ (PDF). Encyclopedia of Polymer Science and Technology. John Wiley & Sons. doi:10.1002 / 0471440264.pst317. ISBN  0471440264.
  27. ^ Wang, J. (2009). „Mohou člověkem vyrobené nanomachiny konkurovat přírodním biomotorům?“. ACS Nano. 3 (1): 4–9. doi:10.1021 / nn800829k. PMID  19206241.
  28. ^ Amrute-Nayak, M .; Diensthuber, R. P .; Steffen, W .; Kathmann, D .; Hartmann, F. K.; Fedorov, R .; Urbanke, C .; Manstein, D. J .; Brenner, B .; Tsiavaliaris, G. (2010). "Cílená optimalizace proteinového nanomachinu pro provoz v biohybridních zařízeních". Angewandte Chemie. 122 (2): 322–326. doi:10.1002 / ange.200905200.
  29. ^ Patel, G. M .; Patel, G. C .; Patel, R. B .; Patel, J. K .; Patel, M. (2010). „Nanorobot: Všestranný nástroj v nanomedicíně“. Journal of Drug Targeting. 14 (2): 63–67. doi:10.1080/10611860600612862. PMID  16608733.
  30. ^ Wang, J .; et al. (2011). „Mikromachin umožňuje zachycení a izolaci rakovinných buněk ve komplexním médiu“. Angew. Chem. Int. Vyd. 50 (18): 4161–4165. doi:10.1002 / anie.201100115. PMC  3119711. PMID  21472835.
  31. ^ Přilba Kevlar Pasgt
  32. ^ http://www.operation-helmet.org
  33. ^ „MIT Institute for Soldier Nanotechnologies“. Web.mit.edu. Citováno 2010-02-26.
  34. ^ A b C d Michael Rust. „Koncepty pasivní ochrany“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 8. října 2011. Citováno 15. prosince 2010.
  35. ^ Volalo grafické vykreslení z IBD-Deisenroth-Engineering.de stream_sandwich.wmv Archivováno 08.10.2011 na Wayback Machine
  36. ^ „About Nanotough at Nanotough.aau.dk“. Archivovány od originál dne 2012-03-21. Citováno 2011-10-12.