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研究小组绘制了碳纳米管在复合材料中的分布

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-12-02  浏览次数:18
核心提示:尽管碳纳米管体积小,结构简单,但却具有各种潜在的有用特性。然而,尽管他们的承诺显得很重要,但如何充分实现这一承诺已被证明

尽管碳纳米管体积小,结构简单,但却具有各种潜在的有用特性。然而,尽管他们的承诺显得很重要,但如何充分实现这一承诺已被证明是一个谜。

 

为了去掉一些神秘,国家标准与技术研究所的研究人员(NIST),麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)和马里兰大学开发了先进的图像采集和处理技术将碳纳米管在复合材料的纳米结构在3 d。纳米管在材料中的分布和排列方式对材料的整体性能起着重要的作用。这些新数据将帮助研究复合材料的人员建立和测试具有广泛热、电和机械特性的材料的真实计算机模型。


他们的研究发表在ACS Nano上。


碳纤维复合材料通常因其高强度和低重量而受到重视,而碳纳米管(CNT)复合材料(或纳米复合材料)具有更多和更小的碳丝,显示出对高强度以及其他性能(如导热和导电能力)的希望。


然而,NIST的亚历克斯·里德尔(Alex Liddle)是这项研究的作者之一,他说,虽然研究人员以前能够可靠地测量纳米复合材料的体积特性,但他们并不清楚为什么不同的复合材料配方具有不同的特性。


里德尔说:“要弄清楚这些材料为什么具有这些特性,需要对它们复杂的三维结构有一个详细、定量的了解。”“我们不仅需要知道纳米管的浓度,还需要知道它们的形状和位置,并将其与材料的性质联系起来。”


然而,在复合材料中看到碳纳米管的排列是很困难的,因为它们被环氧树脂包围,环氧树脂也主要是碳原子。即使使用先进的探头,对比度也太低,软件图像处理器无法轻易识别它们。


在这种研究情况下,你会求助于像NIST的Bharath Natarajan这样的研究生和博士后,因为人类通常能制造出很棒的图像处理器。但是在一张图像中标记成千上万的碳纳米管是非常无聊的,所以纳塔拉简设计了一种图像处理算法,可以像他一样将碳纳米管与环氧树脂区分开来。它得到了回报。


根据Liddle的说法,CNT在拉伸和伸直时,在强度和导热电导率方面都表现出了充分的潜力,但是……


“当碳纳米管悬浮在环氧树脂中时,它们会散开、捆绑和扭曲成不同的形状,”利德尔说。“我们的分析显示,碳纳米管的益处随着浓度的增加呈非线性增长。”随着浓度的增加,碳纳米管开始接触,增加了交叉点的数量,这增加了它们的电导率和导热系数,而物理接触使它们彼此符合,这使它们变直,增加了材料的强度。


增加碳纳米管的浓度可以增强材料的性能这一事实并不特别令人惊讶,但现在研究人员知道这是如何影响材料的性能的,以及为什么早期的纳米复合材料模型的性能与它们在实践中的表现并不完全匹配。


“对于这类材料,我们真的只看到了冰山一角,”利德尔说。“其他研究人员可以通过各种方式对数据进行切片,建立模型,最终制造出用于热管理、机械加固、储能、药物运输等用途的最佳材料。”


 
 
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