Механические свойства нанотрубок
Нанотрубки обладают аномально высокой прочностью на растяжение, изгиб и кручение.
Механическое напряжение S в трубке определяется как отношение нагрузки W к поперечному сечению трубки A: . Относительная деформация ε определяется как отношение удлинения ΔL трубки к ее длине L перед нагружением: ε=ΔL/L. Согласно закону Гука напряжение σ пропорционально относительной деформации: σ=Еε. Коэффициент пропорциональности E=LW/AΔL называется модулем Юнга и является свойством конкретного материала, характеризующим его упругость. Чем больше значение модуля Юнга, тем более материал податлив. Модуль Юнга углеродных нанотрубок составляет от 1.28 до 1.8 ТПа, в то время как модуль Юнга стали почти в 10 раз меньше (0.21 ТПа). Это подразумевает, что углеродная нанотрубка очень жесткая и трудносгибаемая. Однако это не так из-за того, что нанотрубки очень тонкие. Отклонение пустого цилиндрического стержня длиной L, внутренним радиусом ri и внешним радиусом r0 под действием силы F, приложенной к его концу нормально оси, дается выражением: D=FL3/3EI, где I=π(r04- ri 4)/4 - момент инерции сечения стержня. Так как толщина стенки однослойной нанотрубки составляет - 0.34 нм, значение r04 – ri 4очень мало, что компенсирует большое значение модуля Юнга.
Углеродные нанотрубки очень упруги при изгибе. Они не ломаются и могут распрямиться без повреждений, т.к. имеют мало структурных дефектов (дислокаций, границ зерен). Кроме того, углеродные кольца стенок в виде правильных шестиугольников при изгибе меняют свою структуру. Это является следствием того факта, что углерод-углеродные связи sр2-гибридизованы и могут перегибридизоваться при изгибе.
Предел прочности характеризует необходимое для разрыва напряжение. Предел прочности однослойной углеродной нанотрубки составляет 45 ГПа, в то время как для стали он составляет 2 ГПа. Многослойные нанотрубки тоже имеют лучшие, чем у стали, механические свойства, но они меньше, чем у однослойных нанотрубок. Например, многослойная нанотрубка диаметром 200 нм имеет предел прочности 7 ГПа и модуль Юнга 0.6 ТПа.
В таблице 1 приведены основные механические характеристики однослойных углеродных нанотрубок в сравнении с известными материалами.
Таблица 1.
Материал | Модули упругости, ГПа | Сопротивление на разрыв, ГПа | Плотность, г/cм3 |
Однослойная углеродная нанотрубка | 65.0 | 1.4 | |
Графитовый стержень | 2.1 | 1.6 | |
Титан | 0.9 | 4.5 | |
Алюминий | 0.5 | 2.7 | |
Сталь | 0.8 | 7.8 |
Дата добавления: 2015-12-16; просмотров: 1781;