Nova estratégia para obtenção de fibras de nanotubos de carbono com maior resistência dinâmica

Em um estudo publicado em Ciência em 21 de junho, o professor Jian Muqiang da Universidade de Pequim e do Instituto de Grafeno de Pequim e outros desenvolveram uma estratégia para fabricar fibras de nanotubos de carbono com resistência dinâmica de até 14 GPa.

Leveza e alta resistência são buscas perpétuas por materiais de fibra. Em resposta aos requisitos de aplicação de fibras em cenários de alta taxa de deformação, como proteção em campos de batalha e captura de detritos espaciais, é de importância significativa desenvolver materiais de fibra com resistência dinâmica ultra-alta e alta capacidade de absorção de energia.

Os nanotubos de carbono, com suas excelentes propriedades de serem leves, fortes, de alto módulo, altamente elétricos e termicamente condutivos, são considerados um dos blocos de construção ideais para a próxima geração de fibras de alto desempenho, prometendo atender às necessidades de aplicações com altas taxas de deformação. .

No entanto, devido a questões relacionadas com a estrutura do conjunto de fibras, a resistência à tração das fibras de nanotubos de carbono permanece inferior a 10 GPa, muito abaixo da sua resistência ideal, indicando espaço substancial para melhorias.

Pesquisadores incluindo o Prof. Wu Xianqian do Instituto de Mecânica da Academia Chinesa de Ciências (CAS), Assoc. O professor Gao Enlai da Universidade de Wuhan, o professor Zhang Yongyi do Instituto Suzhou de Nanotecnologia e Nanobiônica do CAS e outros propuseram, portanto, uma estratégia inovadora de otimização estrutural em múltiplas escalas.

Primeiramente, as fibras de nanotubos de carbono produzidas pela deposição química de vapor do catalisador flutuante foram purificadas e funcionalizadas. Em seguida, as fibras foram submetidas a alongamento progressivo em solução de ácido clorossulfônico (CSA) contendo poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol) (PBO), seguido de densificação mecânica. Esta estratégia leva a melhorias nas interações interfaciais, no alinhamento dos nanotubos e na densificação dentro das fibras, alcançando um avanço tanto na resistência quase estática quanto na dinâmica.

A montagem ordenada em escala cruzada de nanotubos de carbono confere às fibras excelentes propriedades mecânicas. A resistência quase estática das fibras de nanotubos de carbono atinge 8,2 GPa, e o índice tradicional de avaliação de desempenho balístico, velocidade de Cunniff, excede 1100 m/s. Além disso, as fibras apresentam boa condutividade elétrica.

Para divulgar o desempenho da proteção contra impacto das fibras de nanotubos de carbono, uma barra de tensão Hopkinson mini-split foi empregada para estudar o comportamento mecânico das fibras sob carga de alta taxa de deformação. Os resultados indicaram que à medida que a taxa de tração aumentava, as fibras experimentavam uma transição do comportamento de falha dúctil para o frágil, proporcionando às fibras efeitos significativos de fortalecimento da taxa de deformação. Quando a taxa de deformação foi de aproximadamente 1.400 s^–1a resistência dinâmica das fibras atingiu 14 GPa, superando todas as outras fibras de alto desempenho.

Para investigar a resposta dinâmica das fibras, um teste de impacto transversal de alta velocidade induzido por laser foi construído sob carga de impacto balístico simulado. Os resultados mostraram que o poder específico de dissipação de energia das fibras atingiu (8,7 ± 1,0) × 10¹³ mkg^–1 é^–1excedendo em muito o das fibras balísticas tradicionais, como o Kevlar.

Estas descobertas indicaram que as fibras de nanotubos de carbono têm grande potencial para aplicação em engenharia de proteção contra impactos.

O aprimoramento sinérgico das interações interfaciais, alinhamento dos nanotubos e densificação das fibras dos nanotubos de carbono é crucial para suas excelentes propriedades mecânicas. Testes Raman in-situ e simulações de dinâmica molecular indicaram que fortes interações entre PBO e nanotubos de carbono melhoram as interações intertubos e a transferência de estresse.

Os resultados da simulação de granulação grossa sugeriram que durante o alongamento progressivo, a adição de PBO reduz a porosidade da fibra, aumenta a densidade e diminui a concentração de tensão.

Sob condições de carregamento de alta velocidade, uma proporção maior de nanotubos de carbono nas fibras se quebra, e o modo de fratura da fibra transita do deslizamento entre tubos para fraturas mais síncronas de nanotubos de carbono, dotando assim as fibras de propriedades mecânicas dinâmicas superiores.

As fibras de nanotubos de carbono, caracterizadas por sua resistência dinâmica extremamente alta, têm potencial para aplicações na indústria aeroespacial e na proteção contra impactos. Este estudo fornece uma rota viável para aproveitar a força intrínseca de nanotubos de carbono individuais em macroescala para fabricar materiais fibrosos resistentes ao impacto.