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Jun 07, 2023

Trois

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 18930 (2016) Citer cet article 5266 Accès 54 Citations 4 Détails de Altmetric Metrics Assemblage efficace de solides cellulaires à base de nanotubes de carbone (CNT)

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 18930 (2016) Citer cet article

5266 Accès

54 citations

4 Altmétrique

Détails des métriques

L’assemblage efficace de solides cellulaires à base de nanotubes de carbone (CNT) avec une structure appropriée est la clé pour réaliser pleinement le potentiel des nanotubes individuels dans l’architecture macroscopique. Dans ce travail, l'éponge macroscopique de CNT constituée de nanotubes de carbone individuels interconnectés de manière aléatoire a été cultivée par CVD, présentant une combinaison de super-élasticité, de rapport résistance/poids élevé, de résistance à la fatigue, de stabilité thermomécanique et de stabilité électromécanique. Pour comprendre en profondeur ces performances mécaniques extraordinaires par rapport à celles des matériaux cellulaires conventionnels et d'autres architectures cellulaires nanostructurées, une étude approfondie de la réponse de cette structure spongieuse à base de NTC à la compression est menée sur la base de la théorie élastique classique. La forte liaison intertubes entre nanotubes voisins est examinée, considérée comme jouant un rôle essentiel dans la déformation réversible telle que la flexion et le flambage sans effondrement structurel sous compression. Sur la base de l'observation en microscopie électronique à balayage in situ et de l'analyse de la déformation des nanotubes, l'évolution structurelle (transition flexion-bouclage complètement élastique) des éponges de nanotubes de carbone jusqu'à la déformation est proposée afin de clarifier leurs propriétés mécaniques et leur comportement de couplage électromécanique non linéaire.

Les matériaux cellulaires artificiels avec une structure poreuse, une faible densité, une grande surface spécifique et une capacité d'amortissement élevée, ont été de plus en plus développés pour les applications d'isolation, de rembourrage, de flottabilité, de filtrage, de support de catalyseur, d'absorption acoustique et d'échafaudage tissulaire1,2,3,4. Les mousses polymères les plus connues sont utilisées dans tout, des bouchons d'oreille aux coussinets de protection des cockpits d'avion. De nombreuses applications exigent que les matériaux aient une stabilité mécanique, notamment la résilience, la capacité portante, la résistance à la fatigue et la stabilité thermomécanique, tandis que les performances de stabilité des mousses polymères sont limitées par leur comportement viscoélastique dépendant de la température et du temps, tel que le fluage et la relaxation des contraintes. ,6. Même si une large gamme de matériaux a été développée pour répondre à diverses demandes au cours des dernières décennies, la conception et la fabrication de solides cellulaires présentant une super stabilité mécanique restent un défi de taille. Des travaux récents ont mis en évidence le potentiel de développement d'architectures macroscopiques tridimensionnelles (3D) à partir de blocs de construction à l'échelle nanométrique pour l'absorption d'énergie, l'amortissement et les dispositifs électroniques flexibles7,8,9,10,11,12,13. En outre, les multifonctionnalités des constituants des nanocharges élargiraient également la gamme de solides cellulaires artificiels et leur diversité d’applications14,15,16,17.

Parmi une large gamme de blocs de construction de taille nanométrique disponibles dans différentes dimensions, les nanotubes de carbone (NTC) sont extrêmement attrayants en raison de leurs propriétés fascinantes telles que leur structure fibreuse spécifique, leur merveilleuse résistance à la traction, leur excellente stabilité thermique, leur faible densité, leur conductivité électrique et leur excellente résistance à la traction. -élasticité18,19,20,21. En fait, les solides spongieux à base de NTC ont démontré une multifonctionnalité, une bonne compressibilité et un poids ultra-léger, alors que la super stabilité mécanique est loin des attentes théoriques. Les réseaux de NTC alignés ont montré une résilience mécanique remarquable en utilisant l'élasticité des NTC individuels sous compression, alors que les nanotubes adjacents enchevêtrés dans la forêt alignée provoqueraient une diminution apparente de la contrainte pendant les cycles de compression7,8,22. Récemment, des solides cellulaires à base de CNT, tels que des aérogels et des mousses, ont montré une morphologie en nid d'abeille avec des dimensions cellulaires de plusieurs dizaines de micromètres et une densité ultra-faible aussi légère que l'air . Néanmoins, dans ces parois cellulaires de plusieurs dizaines de nanomètres d’épaisseur, les propriétés mécaniques extraordinaires de chaque nanotube de carbone n’ont pas pu être exploitées efficacement sous compression. Une fois l’effondrement inélastique survenu, la faible interconnexion entre les parois cellulaires adjacentes entraînerait une mauvaise stabilité mécanique et de mauvaises performances de récupération en cas de déformation importante24. De plus, le rapport résistance/densité est relativement faible dans ces architectures 3D en raison de la dimension de leurs cellules à l'échelle micrométrique. Ainsi, un assemblage efficace de solides cellulaires à base de NTC avec une structure appropriée est la clé pour réaliser pleinement le potentiel des nanotubes individuels dans une architecture macroscopique et obtenir des propriétés mécaniques et une stabilité exceptionnelles. Un réseau hiérarchique tel qu'une ferme 3D, qui s'est avéré très bénéfique pour maximiser le module élastique spécifique à la masse et la stabilité mécanique, a été largement utilisé dans les constructions techniques et la conception structurelle des matériaux. Dans nos travaux précédents, une structure similaire à celle d'une ferme a été obtenue dans des éponges monolithiques macroscopiques de nanotubes de carbone par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), dans lequel des nanotubes individuels sont interconnectés de manière aléatoire en squelettes 3D . Bien que des travaux antérieurs aient démontré les propriétés multifonctionnelles de ces éponges de NTC, aucune étude approfondie portant sur leur comportement mécanique collectif n'a encore été rapportée. Une compréhension approfondie de la réponse mécanique de cette structure à base de NTC à la déformation fournira un aperçu de leur durée de vie et apportera un éclairage supplémentaire sur la conception structurelle d'architectures 3D basées sur des matériaux nanocarbonés.