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莱斯大学创建计算模型使纳米管纤维更坚固

2021-02-20 08:32 作者: 来源: 本站 浏览: 13次 字号:

摘要:    盖世汽车讯 碳纳米管纤维远不如其中的纳米管坚固,赖斯大学的研究人员正在尽力缩小二者之间的差距。据外媒报道,莱斯大学布朗工程学院(Rice‘s Brown School of Engineering)的材料理论家Boris Yakobson及其团队创建了一...

  

盖世汽车讯 碳纳米管纤维远不如其中的纳米管坚固,赖斯大学的研究人员正在尽力缩小二者之间的差距。据外媒报道,莱斯大学布朗工程学院(Rice‘s Brown School of Engineering)的材料理论家Boris Yakobson及其团队创建了一个计算模型,在纳米管长度和束中纳米管之间的摩擦力之间建立通用比例关系,这些参数可以用来微调纤维的强度特性。

  

  

(图片来源:kenkennedy。rice)

  

科学家和工程师们可以将该模型作为开发导电纤维的工具,并将这些纤维应用于航空航天、汽车、医疗和纺织领域。

  

单个碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,而石墨烯是已知最坚固的材料之一。然而,据研究人员介绍,将其集合在一起时,此种线状纤维的强度要弱得多,大约是单个纳米管强度的百分之一。研究人员Evgeni Penev表示:“如果是一根单独的纳米管,那几乎就是你能想象到的最强劲的东西,因为其中含有非常强的碳-碳键。但用纳米管制造的东西,比你想象的要弱得多。我们的问题是,为什么?如何解决这种差距呢?”

  

通过模型可以看出,纳米管的长度及其之间的摩擦力,是衡量整体纤维强度的最佳指标。可以考虑的改善策略包括,一种方法是采用更长的纳米管;另一种方法是增加管之间的交联量,通过化学方法或电子辐照来产生缺陷,使碳原子可以结合在一起。

  

粗粒模型对纳米管之间的摩擦进行量化,尤其是当纤维处于应变状态时,摩擦如何调节滑移,以及纳米管之间的连接在断裂后的恢复程度。长度和摩擦力之间的平衡很重要:纳米管越长,需要的交联越少,反之亦然。Penev表示:“纵向间隙只是你可以制造纳米管长度的函数。这些间隙本质上即为缺陷,在你开始拉动管束时会导致界面滑动。”

  

鉴于这种固有弱点,Penev和主要研究人员Nitant Gupta开始研究交联对强度的影响。Penev表示:“我们按照碳二聚体或短烃链为这些连接建模,在拉动它们时,我们会看到发生了伸展和断裂。在很大程度上,界面的整体强度取决于交联的愈合能力。如果在纳米管滑移时,它们断裂并重新连接到下一个可用碳上,管之间就会产生有效摩擦,从而使纤维变得更坚固。这是最理想的情况。”

  

Gupta表示:“我们发现交联密度和长度起着相似的作用,我们使用这两个值的乘积来表征整个管束的强度。”

  

编织纳米管,或将它们像链条一样连接起来,也有可能增强纤维强度。Penev表示,虽然超出当前模型的能力,但这些技术值得研究。

  

加固材料具有很大的技术价值。Yakobson表示,“我们的理论以更清晰的角度展现大量不同的数据,为以后的长期研究奠定基础。”