A Review on the Mechanical Properties of Carbon Nanotubes Reinforced Polymer Composites
Subject Areas :Ahdieh Amjadi 1 , Fereshteh Barragh Jam 2
1 - Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, P.O. Box 55181-83111
2 - Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, P.O. Box 55181-83111
Keywords: Nanocomposite, Polymer, Reinforcing Agent, Carbon Nanotubes, Mechanical Properties,
Abstract :
Advances in the synthesis and industrial production of carbon nanomaterials, particularly carbon nanotubes (CNTs) have been widely used in the polymer materials industry in the past few decades, leading to the creation of a group of carbon nanotube-reinforced polymer composites that exhibit the potential to be used in several applications, such as military, transportation, aerospace, automotive, and sports equipment. The advantageous thermal, electrical, and mechanical properties of CNTs, in conjunction with their low density, which encourages researchers to use them in making polymer composites. Polymeric composites have been welcomed by many researchers and industrialists due to their special properties including low weight, favorable mechanical properties and diverse production processes compared to other types of composites and other engineering materials. On the other hand, CNTs are unique as mechanical reinforcement components for structural applications due to their nanometer dimensions and extraordinary strength. Therefore, in this review study, an attempt has been made to examine the researches carried out in the field of mechanical properties of polymer composites reinforced with CNT. The implications of several factors affecting mechanical properties of CNT reinforced polymer composites such as amount, shape, and contact area of the reinforcing agents with the polymer matrix, have been highlighted.
1. Li Y., Huang X., Zeng L., Li R., Tian, H., Fu X., Wang Y., Zhong W.H. A Review of the Electrical and Mechanical Properties of Carbon Nanofiller-Reinforced Polymer Composites. Journal of Materials Science, 54, 1036–1076, 2019.
2. Nurazzi N.M., Sabaruddin F.A., Harussani M.M., Kamarudin S.H., Rayung M., Asyraf M.R.M., Aisyah H.A., Norrrahim M.N.F., Ilyas R.A., Abdullah N., Zainudin E.S., Sapuan S.M., Khalina A., Mechanical Performance and Applications of CNTs Reinforced Polymer Composites-A Review. Nanomaterials (Basel), 11, 2186, 2021.
3. Saifuddin N., Raziah A., and Junizah A., Carbon Nanotubes: A Review on Structure and Their Interaction with Proteins. Journal of Chemistry, 2013, 2013.
4. Takakura A., Beppu K., Nishihara T., Strength of Carbon Nanotubes Depends on Their Chemical Structures. Nature Communications, 10, 3040, 2019.
5. https://www.fortunebusinessinsights.com/carbon-nanotubes-cnt-market-102700. Available in Nov, 2021.
6. Zakaria M. R., Md Akil H., Abdul Kudus M. H., Ullah F., Javed F., Nosbi N., Hybrid Carbon Fiber-Carbon Nanotubes Reinforced Polymer Composites: A Review. Composites Part B: Engineering, 176, 2019.
7. Xie S., Li W., Pan Z., Chang B., Sun L., Mechanical and Physical Properties on Carbon Nanotube. Journal of Physics and Chemistry of solids, 61, 1153-1158, 2000.
8. Egbo, M.K., A Fundamental Review on Composite Materials and Some of Their Applications in Biomedical Engineering. Journal of King Saud University-Engineering Sciences, 33, 557-568, 2021.
9. Kumar A., Sharma K., and Dixit A.R., A Review on the Mechanical Properties of Polymer Composites Reinforced by Carbon Nanotubes and Graphene. Carbon Letters, 31, 149-165, 2021.
10. Kumar A., Sharma K., and Dixit A.R., Carbon Nanotube-And Graphene-Reinforced Multiphase Polymeric Composites: Review on Their Properties and Applications. Journal of Materials Science, 55, 2682-2724, 2019.
11. Hsissou, R., Seghiri R., Benzekri Z., Hilali M., Polymer Composite Materials: A Comprehensive Review. Composite structures, 262, 113640, 2021.
12. Al-Saleh M.H., and Sundararaj U., Review of the Mechanical Properties of Carbon Nanofiber/Polymer Composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 42, 2126-2142, 2011.
13. Karthik, K., Rajamani D., Manimaran A., Udayaprakash J., Evaluation of Tensile Properties on Glass/Carbon/Kevlar Fiber Reinforced Hybrid Composites. Materials Today: Proceedings, 39, 1655-1660, 2021.
14. Coleman J. N., Khan U., Blau W. J., Gunko Y.K., Small but Strong: A Review of the Mechanical Properties of Carbon Nanotube-Polymer Composites, Carbon, 44, 1624-1652, 2006.
15. Mei, H., Xia J., Han D., Xiao S., Deng J., Dramatic Increase in Electrical Conductivity in Epoxy Composites with Uni-Directionally Oriented Laminae of Carbon Nanotubes. Chemical Engineering Journal, 304, 970-976, 2016.
16. Mecklenburg M., Mizushima D., Ohtake N., Bauhofer W., Fiedler B., Schulte K., On the Manufacturing and Electrical and Mechanical Properties of Ultra-High Wt.% Fraction Aligned MWCNT and Randomly Oriented CNT Epoxy Composites. Carbon, 91, 275-290, 2015.
17. Kalakonda P., and Banne S., Thermomechanical Properties of PMMA and Modified SWCNT Composites. Nanotechnology, science and applications, 10, 45-52, 2017.
18. Behera R.P., Rawat P., Tiwari S. K., Singh K. K., A Brief Review on the Mechanical Properties of Carbon Nanotube Reinforced Polymer Composites. Materials Today: Proceedings, 22, 2109-2117, 2020.
19. Zhou S., Hrymak A.N., Kamal M.R., Electrical, Thermal, and Mechanical Properties of Polypropylene/Multiwalled Carbon Nanotube Micromoldings. Polymer Composites, 41, 1507-1520, 2020.
20. Venkatesan M., Palanikumar K., Boopathy S.R., Experimental Investigation and Analysis on the Wear Properties of Glass Fiber and CNT Reinforced Hybrid Polymer Composites. Science and Engineering of Composite Materials, 25, 963-974, 2018.
21. Scaffaro R., and Maio A., Integrated Ternary Bionanocomposites with Superior Mechanical Performance via the Synergistic Role of Graphene and Plasma Treated Carbon Nanotubes. Composites Part B: Engineering, 168, 550-559, 2019.
22. Zhang W.D., Shen L., Phang I.Y., Liu T., Carbon Nanotubes Reinforced Nylon-6 Composite Prepared by Simple Melt-Compounding. Macromolecules, 37, 256-259, 2004.
23. Tang L.-C., Wan Y.-J., Peng K., Pei Y., Wu, L., Chen L., Shu L., Jiang J., Lai G., Fracture Toughness and Electrical Conductivity of Epoxy Composites Filled with Carbon Nanotubes and Spherical Particles. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 45, 95-101, 2013.
24. Zhang J., Ju S., Jiang D., Peng H., Reducing Dispersity of Mechanical Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites by Introducing Multi-Walled Carbon Nanotubes. Composites Part B: Engineering, 54, 371-376, 2013.
25. Zhang W., Picu R., Koratkar N., The Effect of Carbon Nanotube Dimensions and Dispersion on the Fatigue Behavior of Epoxy Nanocomposites. Nanotechnology, 19, 285709, 2008.
26. Mousavi S., Alignment of Multi Wall Carbon Nanotube in Epoxy Polymer Matrix and Investigating the Effect of CNT’s Alignment on the Mechanical Properties of Composite. In Proceedings of the Second International Conference on New Approaches in Science, Engineering and Technology, Istanbul, Turkey. 2015.
27. Kim S., Jung S., Kim W.-J., Vertical Alignment of Carbon Nanotubes in Photo-Curable Polymer for Multi-Functional Hybrid Materials. Applied Surface Science, 612, 155749, 2023.
28. Koirala P., Werken N., Lu H., Baughman R.H., Ovalle-Robles R., Tehrani M., Using Ultra-Thin Interlaminar Carbon Nanotube Sheets to Enhance the Mechanical and Electrical Properties of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites. Composites Part B: Engineering, 216, 108842 2021.
29. Boroujeni A.Y. and Al-Haik M., Carbon Nanotube – Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites with Extended Fatigue Life. Composites Part B: Engineering, 164, 537-545, 2019.
30. Grimmer C.S. and Dharan C.K.H., High-Cycle Fatigue of Hybrid Carbon Nanotube/Glass Fiber/Polymer Composites. Journal of Materials Science, 43, 4487-4492, 2008.
31. Davis D.C., Wilkerson J.W., Shu J., Ayewah D., Improvements in Mechanical Properties of A Carbon Fiber Epoxy Composite Using Nanotube Science and Technology. Composite Structures, 92, 2653-2662, 2010.
32. Borrego L.P., Costa J.D.M., Ferreira J.A.M., Silva H., Fatigue Behaviour of Glass Fibre Reinforced Epoxy Composites Enhanced with Nanoparticles. Composites Part B: Engineering, 62, 65-72, 2014.
33. Yousefi N., Fisher S.J., Burgstaller C. Shaffer M.S.P., Bismarck A., Hierarchical Carbon Fibre Composites Incorporating High Loadings of Carbon Nanotubes. Composites Science and Technology, 222, 109369, 2022.
34. Qian H., Greenhalgh E.S., Shaffer M.S.P., Bismarck A., Carbon Nanotube-Based Hierarchical Composites: A Review. Journal of Materials Chemistry, 20, 4751-4762, 2010.
35. Lesko J.J., Swain R.E., Cartwright J.M., Chin J.W., Reifsnider K.L., Dillard D.A., Wightman J.P., Interphases Developed from Fiber Sizing’s and Their Chemical-Structural Relationship to Composite Compressive Performance, The Journal of Adhesion, 45, 43-58, 2020.
36. Han L., Li k., Xiao C., Yin X., Gui X., Song Q., Ye F., Carbon Nanotube-Vertical Edge Rich Graphene Hybrid Sponge as Multifunctional Reinforcements for High Performance Epoxy Composites. Carbon, 201, 871-880, 2023.
37. Liu Y., Li J., Kuang Y., Interlaminar Properties of Carbon Nanotubes Modified Carbon Fibre Fabric Reinforced Polyimide Composites. Journal of Composite Materials, 57, 1277-1288, 2023.
38. Jongvivatsakul, P., Thongchom C., Mathuros A., Prasertsri T., Adamu M., Orasutthikul S., Lenwari A., Charainpanitkul T., Enhancing Bonding Behavior Between Carbon Fiber-Reinforced Polymer Plates and Concrete Using Carbon Nanotube Reinforced Epoxy Composites. Case Studies in Construction Materials, 17, 01407, 2022.
مروری بر خواص مکانیکی کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با نانولولههای کربنی
A Review on the Mechanical Properties of Carbon Nanotubes Reinforced Polymer Composites
عهدیه امجدی1*، فرشته براقجم2
۱ مراغه، دانشگاه مراغه، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی شیمی، صندوق پستی ۸۳۱۱۱-۵۵۱۸۱
Ahdieh Amjadi*1, Fereshteh Barragh Jam1
Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, P.O. Box 55181-83111, Maragheh, Iran
* a.amjadi@maragheh.ac.ir
چکیده
پیشرفتها در سنتز و تولید صنعتی نانومواد کربنی مانند نانولولههای کربنی (CNTها) به طور گسترده در صنعت مواد پلیمری در چند دهه گذشته به کار گرفته شده است که منجر به ایجاد گروهی از کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با نانولولههای کربنی گردیده شده است. کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با CNTها دارای قابلیت استفاده در کاربردهای گوناگون مانند صنایع نظامی، صنایع حمل و نقل، هوافضا، خودرو و تجهیزات ورزشی هستند. CNTها دارای خواص حرارتی، الکتریکی و مکانیکی مطلوب و همچنین چگالی پایین هستند که محققان را به استفاده از آنها در ساخت کامپوزیتهای پلیمری ترغیب میکند. کامپوزیتهای پلمیری به دلیل داشتن وزن پایین، خواص مکانیکی مطلوب و فرایندهای تولید متنوع نسبت به سایر انواع کامپوزیتها و مواد مهندسی دیگر، مورد استقبال بسیاری از پژوهشگران و صنعتگران قرار گرفته است. از طرفی CNTها به دلیل ابعاد نانومتری و نیز استحکام خارقالعاده، به عنوان تقویتکنندههای مکانیکی برای کاربردهای ساختاری مختلف منحصربهفرد هستند. لذا در این مطالعه مروری سعی شده است پژوهشهای انجام شده در زمینه خواص مکانیکی کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با CNT بررسی شود. در ادامه تأثیر چندین عامل مؤثر بر خواص مکانیکی کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با CNT از جمله مقدار، شکل و سطح تماس عامل تقویتکننده با ماتریس پلیمری مشخص شد.
کلید واژه: نانوکامپوزیت، پلیمر، عامل تقویتکننده، نانولولههای کربنی، خواص مکانیکی.
۱ مقدمه
نانولولههای کربنی (CNTها) اولین بار توسط الیجاما (et al. Alijama) در سال 1991 کشف شدند. از زمان کشف CNTها، این مواد بهعنوان نانوذرات تقویتکننده در کامپوزیتهای پلیمری مورد استفاده قرار گرفتهاند. اولین کامپوزیت تقویت شده با CNTها توسط آجیان (Ajeian et al.) و همکاران در سال 1994 استفاده شد. این کامپوزیت دارای ماتریس رزین اپوکسی تقویت شده با MWCNT (نانولولههای کربنی چند جداره) بود. علیرغم وجود مواد بسیاری در زمینه تقویت ماتریسهای پلیمری، CNTها خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی برتری در مقایسه با سایر الیاف تقویتکننده کامپوزیتها ارائه میدهند [1].
CNTها مولکولهای استوانهای هستند که از اتمهای کربن هیبریدشده بهه صورت شش ضلعی تشکیل شدهاند. CNTها از ورقههای گرافن میکرومتری که در استوانههای نانومتری تا شده و با فولرنهای کروی پوشانده شدهاند، تشکیل میشوند. به دلیل وجود الکترونهای دلوکالیزهشده نامستقر در محور z، نانولولههای کربنی خواص الکتریکی مجزایی دارند. نانولولههای کربنی با توجه به ضخامت دیوارهشان، به نانولولههای کربنی تک جداره (SWCNT) و نانولولههای کربنی چند جداره (MWCNT) طبقهبندی میشوند. MWCNTها صفحات گرافن رولشده غلتاندهشده چند لایهای هستند، در حالی که SWCNTها نانواستوانههایی هستند که از یک ورقه گرافن واحد ساخته شدهاند. نیروی واندروالسی بین CNTها و برهمکنشهای ضعیف بین صفحهای ورقههای گرافن (ابرهای الکترونی بسیار قطبی شده در CNTها) CNTها را بهطور قوی پیوند میدهد. در نتیجه، تجمع و شیمی حلال نانومواد CNTها اندازه، شکل و مساحت سطح آنها را تنظیم میکند. تصویر شماتیکطرحواره SWCNT و MWCNT در شکل 1 نشان داده شده است [2].
شکل 1 الف) تصویر شماتیکطرحواره SWCNT و MWCNT (ب) MWCNT پیچیدهشده با poly(3-hexylthiophene) [۲].
براساس پژوهش سیافالدین و همکاران (Siafuddin et al. ) [3]، نانولولههای کربنی متفاوت از نانولولههای کربنی متفاوت از الیاف کربن هستند. الیاف کربن هستند، که مولکولهای منفرد نبوده، بلکه رشتههایی از ورقههای گرافیت لایهای هستند.، متفاوت هستند. گفته می شود که در نتیجه پیوندهای sp2 بین اتم های کربن منفرد، استحکام کششی بالاتری نسبت به فولاد و کولار دارند و می توان آنها را حتی قوی تر از پیوند sp³ موجود در الماس ساخت. CNTها همچنین در حالتهای پوششی، پخش شده و عامل دار شده موجود هستند تا ترجیحاً با استفاده از پلیمرهای متصل شیمیایی در سطح مشترک جذب شوند. مانند سایر گزارش های قبلی، تاکاکورا و همکاران [4] مشاهده کردند که استحکام نانولولههای کربنی به ساختار کایرال نانولوله بستگی دارد. این وابستگی ساختاری از طریق تنش درون-اتمی وابسته به ساختار ذاتی، با تمرکز آن در نقصهای ساختاری اجتنابناپذیر در نانولولهها درک میشود. این امر ساختار CNTها ضروری برای ساخت قویترین کامپوزیتها را برجسته می کند. CNTها در کاربردهایی که نیازمند استحکام، رسانایی الکتریکی، دوام، خواص سبکوزنی، و رسانایی حرارتی بالایی هستند، به کار میروند. از زمان کشف CNTها به عنوان یک ماده با کارایی بالا در صنایع هوافضا، خودروسازی، ورزش، زیستت پزشکی و الکترونیک به دلیل سختی ویژه بالا، نسبت استحکام به وزن بالا، ضریب انبساط حرارتی کم و هدایت حرارتی بالا محبوبیت پیدا کردهاند. جدای از آن، CNTها بهطور گسترده به عنوان مواد حسگر در کاربردهای شیمیایی و حسگرهای زیستی استفاده میشوند. مطابق گزارش بازار جهانی CNT که در سال 2020 میلادی منتشر شده است، کاربرد CNT در پلاستیکها و کامپوزیتها به دلیل افزایش کاربرد پلیمرهای مهندسی در صنایع خودروسازی و ساختمانی بر بازار تسلط داشته است. از سوی دیگر استفاده از کامپوزیتها نیز به دلیل ویژگی سبکوزنی آن تقاضای بازار پلیمرها را نیز افزایش میدهد [5].
شکل 2 سهم بازار جهانی نانولولههای کربنی، بر اساس کاربرد، در سال 2020 [5].
نانولولههای کربنی به دلیل خواص مکانیکی برتر و نسبت ابعادی بالا، مدتهاست که پرکنندهای مطلوب برای کامپوزیتهای پلیمری در نظر گرفته میشوند.
در استفاده از نانومواد پایه کربنی غلبه بر اگلومره شدنکلوخگی بسیار مهم است. در مقایسه با سایر ترکیبات کربنی مانند گرافیت و فولرن، CNT ها دارای طبیعت آبگریز و هادی الکتریکی بوده و مساحت سطح بزرگتری دارند [2, 6].
CNTها دارای قطر حدود 100 نانومتر و طول 100-20 میکرومتر هستند. با توجه به این موضوع که این مواد مساحت سطحی (surface-area-to-volume ratio) بالاتری دارند، تعامل و سازگاری این الیاف با ماتریسهایی که دارای مدول یانگ 1000-100 گیگاپاسکال و استحکام 5/3-5/2 گیگاپاسکال هستند بسیار مطلوب میباشداست. از طرف دیگر CNT ها دارای چگالی کم در حدود 3/1 گرم بر سانتی متر مکعب میباشندهستند. این موضوع باعث میشود که کامپوزیت های تقویت شده با این مواد نسبت استحکام به وزن بالایی از خود نشان دهند. علاوه بر این، حتی ضعیفترین نوع نانولوله های کربنی استحکام مکانیکی قابل توجهی را ارائه میکنند. قویترین نانولوله کربنی دارای 63 گیگاپاسکال استحکام شکست است [2]. این ویژگیها استفاده از CNT ها را نه تنها برای مصارف صنعتی، بلکه برای اهداف آزمایشگاهی به منظور تولید کامپوزیتهای پلیمری را ترویج داده است. ویژگیهای مهندسی کامپوزیتهای پلیمری تقویتت شده با CNT ها، توسط فاکتور هایی مانند روش ساخت، نوع CNT و ... تعیین میشود. در این مقاله، به طور خلاصه خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با CNT بررسی شده است.
۲ نانوکامپوزیتهای پلیمری
مواد کامپوزیتی توسط اختلاط دو یا تعداد بیشتری از مواد شکل میگیرند. که هریکدام از مواد سازنده کامپوزیت دارای خواص متفاوتی بوده و ممکن است که بهصورت مستقیم با هم وارد واکنش نشده و از طرفی قابلیت حل شدن در یکدیگر را نیز نداشته باشند [7]. بهصورت کلی ساختار مواد کامپوزیتی از سه ناحیه زمینه یا ماتریس (که بهصورت پیوسته ساختار اصلی کامپوزیت را تشکیل داده است)، تقویتکنندهها (که بهصورت فاز پراکنده و ناپیوسته هستند و میتوانند شامل ذرات و الیاف باشند) و فصل مشترک میان تقویتکننده و ماتریس تشکیل میشود [8].
در حالت کلی کامپوزیتها میتوانند از هر مادهای تشکیل شوند، اما عموماً فلزات، پلیمرها و سرامیکها مواد اصلی تشکیلدهنده ماتریس کامپوزیتها هستند.
خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با CNT به طور گستردهای مورد بررسی قرار گرفته است. مورفولوژی شکست نانوکامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با CNT تحت یک سری آزمایشهایات مختلف قرار گرفته و نتایج گردآوری و ارائه شده است. یک نمای کلی از بررسی های صورت گرفته از این کامپوزیت ها در شکل 3 نشان داده شده است [9].
شکل 3 نمای کلی کامپوزیتهای پلیمری و کاربردهای آنها [11].
به صورت کلی پلیمرهای مورد استفاده در کامپوزیتهای پلیمری به عنوان ماتریس، به دو دسته ترموست گرماسخت و ترموپلاست گرمانرم تقسیمبندی میشوند. ترموستها گرماسختها دستهای از پلیمر ها هستند که طی یک واکنشی شیمیایی و یا پخت از حالت مایع به حالت جامد تبدیل میشوند. استفاده از این دسته از پلیمرها در ساخت کامپوزیتها به دلیل قابلیت ترشوندگی مطلوب میان ماتریس و الیاف تقویتکننده بسیار رایج است. از جمله پلیمرهای ترموست گرماسخت میتوان به رزینهای پلیاستری، رزین اپوکسی، رزین های استروینیل، فنولیک و پلییورتان اشاره کرد. در مقابل پلیمرهای ترموستگرماسخت، پلیمر های ترموپلاستیک گرمانرم قرار دارند. این دسته از مواد پلیمری، موادی هستند که در مقابل حرارت ذوب میشوند. حرارت در شکلدهی این دسته از پلیمرها حرارت نقش اساسی دارد. این دسته از پلیمر ها دارای زنجیره های بلند و با وزن های بالا هستند که دارای چقرمگی مناسب (مقاومت در برابر رشد ترک) بوده و نسبت به ترموستها گرماسختها دارای شکنندگی کمتری هستند. پلیمرهای ترموپلاستیک گرمانرم دارای خاصیت ترمیمشوندگی و بازیافت مطلوبی هستند. از این دسته از پلیمرها میتوان به آکریلیکها، پلیالفین، آکریلونیتریل بوتادین و استایرن اشاره کرد [10]. جدول 1 ویژگی های دو دسته پلیمر مورد بحث را نشان داده است.
جدول 1 ویژگیهای پلیمرهای ترموست گرماسخت و ترموپلاستیک گرمانرم [12].
| پلیمرهای | پلیمرهای |
ویژگیها | وزن پایین | شکلپذیری آسان |
کارایی بالای قطعات تولیدشده | قابلیت ترمیم | |
مقاومت شیمیایی مطلوب | قابلیت بازیافت |
2-1 خواص نانوذرات CNT به کار رفته در نانوکامپوزیتهای پلیمری
مواد کامپوزیتی ماتریس پلیمری به دلیل وزن کمترشان نسبت به سایر مواد مهندسی دارای نسبت استحکام به وزن بالایی بوده و به عبارتی استحکام ویژه بالایی را از خود نشان میدهند. بهطور کلی در حین اعمال بار و تنش به کامپوزیت، ماتریس وظیفه نگهداری و پین ثابتکردن ذرات تقویتکننده را دارد. این در حالی است که وظیفه اصلی عامل تقویتکننده تحمل بار دینامیکی و یا استاتیکی اعمال شده به کامپوزیت است. بنا به این موضوع است که عموماً ذرات تقویتکننده و یا الیاف مورد استفاده در کامپوزیتها نسبت به ماتریس دارای سختی و استحکام بالاتری هستند [11, 12].
مشخصهیابی کامپوزیتهای پلیمری و مشخص شدن فاکتورهای عاملهای مکانیکی این دسته از مواد مهندسی دارای اهمیت ویژهای میباشددارد. از جمله این فاکتور هاعوامل میتوان به استحکام شکست، میزان چقرمگی، مدول الاستیسیتهکشسانی، استحکام تسلیم، نوع شکست و رفتار خستگی اشاره کرد. استانداردهای ASTM، DIN و ISO برای ارزیابی خواص مکانیکی کامپوزیتهای پلیمری مورد استفاده قرار میگیرند.
به طور کلی در کامپوزیتهای پلیمری چهار عامل اصلی در خواص مکانیکی کامپوزیت نقش دارند. این چهار عامل عبارتند از:
· ساختار CNT (نسبت ابعاد)؛
· نحوه پراکنش CNTها؛
· جهتگیری CNTها در ماتریس پلیمری؛
· انتقال تنش سطحی از ماتریس به CNT.
شکل ۴ عوامل کنترلکننده خواص مکانیکی کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با CNTها را نشان میدهد. نسبت ابعادی CNT را می توان با تهیه نانولولههایی با طول بیشتر و قطر کمتر افزایش داد. جدول 2 محدوده مشخصات مکانیکی CNTها و چند نمونه دیگر از مواد تقویتکننده را بیان میکند [13]. مسئله مهم دیگر پراکنش CNTها در ماتریس است. پراکنش یکنواخت CNTها در ماتریس منجر به انتقال بار موثر از ماتریس به نانولولهها میشود. پراکنش باید به گونهای باشد که هر نانولوله با ماتریس پلیمری پوشش داده شود. روشهای مختلفی در منابع برای پراکنش همگن CNTها وجود دارد. با این حال، اثرگذاری فرایند پراکنش بر اساس نوع پلیمر ماتریس و فرایند عاملدار شدن نانولولهها تعیین میشود. پراکنش همگن نانولولههای کربنی منجر به توزیع بار یکنواخت و کاهش نقاط تمرکز تنش در ساختار میشود. اثرات پراکنش غیریکنواخت و تودهای شدنکلوخگی را می توان در طول آزمونهای مکانیکی مشاهده کرد؛ زمانی که تنش فراتر از حد مشخصی اعمال شود، افت خواص مکانیکی مشاهده میشود. عامل سوم جهتگیری نانولوله های کربنی در ساختار پلیمری میباشداست. این فاکتور عامل در مقادیر کمتر CNTها (کمتر از 1 درصد وزنی) در تعیین خواص مکانیکی کامپوزیت یک فاکتور عاملی اصلی است. کلمن و همکارانش (Colman et al.) [14]، در پژوهش خود نشان دادند، زمانی که جهتگیری نانولوله های کربنی در ساختار پلیمری تصادفی است میزان مدول کامپوزیت 5 برابر ضعیفتر از حالتی است که جهتگیری CNTها منظم باشد. علاوه بر این، مشاهده شده است که کامپوزیتهایی که دارای تقویتکنندههای جهتدار هستند، تمایل به رفتار ناهمسانگرد دارند. بنابراین اگرچه جهتگیری و منظم بودن CNTها در ساختار منجر به بهبود خواص مکانیکی میشود اما همیشه مفید نمیباشدیست. چهارمین و مهمترین عامل تاثیرگذار تأثیرگذار در خواص مکانیکی کامپوزیتها بحث انتقال بار از ماتریس به تقویتکننده است. هنگامی که یک تنشی بر نانوکامپوزیتهای تقویت شده با CNT اعمال میشود، انتظار میرود که CNTها حداکثر تنش اعمال شده به ساختار را دریافت کرده و حامل تنش اصلی باشند که منجر به تاخیر تأخیر در ایجاد و رشد ترک میشود. به منظور انتقال بار از ماتریس پلیمری به CNT باید اتصال مناسبی میان این دو بخش برقرار باشد که اساساً سه مکانیسم سازوکار برهمکنش و اتصال میان CNT و ماتریس پلیمری شناسایی شده است: اتصال مکانیکی، اتصال فیزیکی، و برهمکنش شیمیایی.
اتصال مکانیکی شامل درهمتنیدگی پلیمر با تقویتکننده CNT و تشکیل قفل میکرومکانیکی ریزمکانیکی است. این شرایط در بسیاری از کامپوزیتهای ماتریس پلیمری تقویتشده با CNTها پدیدار میشود. اتصال فیزیکی شامل برهمکنش واندروالس میان نانولوله کربنی و ماتریس پلیمری میباشداست. برهمکنش شیمیایی شامل استفاده از گروههای عاملی برای توزیع یکنواخت CNTها در ماتریسهای پلیمری و ایجاد اتصال شیمیایی بین CNT و ماتریس میباشداست.
شکل ۴ عوامل موثر در خواص مکانیکی کلی کامپوزیتهای ماتریس پلیمر تقویت شده با CNT.
جدول ۲ خواص مکانیکی CNT ها و سایر مواد تقویتکننده کامپوزیتها [13].
استحکام کششی (GPa) | مدول یانگ (TPa) | تقویت |
126 | 5/5-65/0 | SWCNTs |
63< | 1-2/0 | MWCNTs |
130 | 1 | گرافن چند لایه |
55/1 – 38/0 | 214/0-186/0 | فولاد زنگ نزن |
8/3 – 6/3 | 18/0-06/0 | کولار |
60< | 22/1 | الماس |
65/0 | 71 | آلومینیم |
3 | 72 | الیاف شیشه |
3 | 300 | الیاف کربن |
10 | 450 | الیاف کاربید سیلیسیم |
00016/0 | 0049/0 | الیاف نیشکر |
00025/0 | 053/0 | الیاف کناف |
00023/0 – 00014/0 | 0017/0 – 0011/0 | الیاف بامبو |
2-2 عملکرد مکانیکی نانوکامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با CNTها
از سال 1994، تلاشهای زیادی برای بهبود خواص مکانیکی کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با CNT صورت گرفته است. از بررسی منابع مشخص شده است که مقدار استفاده از CNTها در کامپوزیتهای پلیمری معمولاً کمتر از 10 درصد وزنی میباشد است تا از افزایش غیرضروری ویسکوزیته گرانروی جلوگیری شود. کاهش سیالیت و افزایش گرانروی منجر به کاهش شکلپذیری و افت خواص مکانیکی کامپوزیت میشود. براساس گزارشهایات ارائه شده مشخص شده است که خواص مکانیکی کامپوزیتهای تقویتشده با CNTها بهطور عمومی بین 20-200٪ نوسان دارد. اعتقاد بر این است که علاوهبر از عوامل ذکر شده در شکل 4 سایر پارامترها مانند یکپارچگی و نوع پلیمر مورد استفاده به شدت خواص کامپوزیت را تحت تاثیر تأثیر قرار دهند. علاوه بر این، نانولولههای کربنی دارای خاصیت کلوخگیتودهای شدن به دلیل نیروهای جاذبه قوی واندروالس بین آنها هستند که استعداد و پتانسیل آن ها را به عنوان مواد تقویت کننده در نانوکامپوزیتها را تضعیف میکند. در کامپوزیتهای پلیمری گرماسختترموست تقویتشده با نانولولههای کربنی از روشهای پراکنش فیزیکی مانند فراصوت، هم زدن، پرس گرم و ترکیبی از این روشها استفاده میشود. یکی از فرایندهای بهبود توزیع نانولولههای کربنی در ساختار پلیمری استفاده از تکنیکهای فنون عاملدار کردن نانولوله میباشداست. این روش نه تنها به پراکنش CNTها کمک میکند، بلکه پیوند سطحی بین CNT و پلیمر را نیز تقویت میکند. اغلب، اسیدهای غلیظ یا رقیق برای تولید گروههای عاملی (گروههای کربوکسیل، گروههای آمینه، گروههای اپوکسید و غیره) و جدا کردن پیوند C-C برای عاملدار کردن CNTها استفاده میشوند. این روش منجر به بهبود قابل توجه خواص مکانیکی میشود. این در حالی است که در برخی مطالعات گزارش شده است که عاملدار شدن CNTها احتمال نقص ساختاری را افزایش میدهد که منجر به تخریب سایر خواص مهندسی کامپوزیت میشود. بنابراین عاملدار کردن غیرکووالانسی، به عنوان یک روش جایگزین برای ساخت کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با CNT معرفی شد. علاوه بر این، روشهای جدیدی نیز استفاده شده است. می و همکاران (Mie et al.) [15] از روش جدیدی به نام قالب یخ برای ساخت نانوکامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با CNT استفاده کردند. آنها اعمال حرارت و فرایند انجماد کامپوزیت را به صورت جهتدار کنترل کردند که در نهایت منجر به بهبود خواص مکانیکی در حدود 12 درصد شد. مکلنبرگ و همکاران (Macklenbergh et al.) [16] MWCNT را در نانوکامپوزیت اپوکسی با استفاده از روش پرس گرم وارد کردند و کامپوزیت پلیمری تقویتشده با MWCNT ساختند. در این مقاله از MWCNTs آغشتهشده به غشای نیمه تراوا برای تزریق در ساختار رزین اپوکسی استفاده شد. استفاده از 56 درصد وزنی MWCNT ها منجر به تولید یک کامپوزیت با مدول 5/15 گیگاپاسکال شد. در مورد کامپوزیتهای ماتریس TPU، پلیمریزاسیون پلیمرشدن درجا و عامل دار کردن توسط سورفکتانتها عاملهای سطحفعال فرآیندهای فرایندهای رایج مورد استفاده برای توزیع همگن CNTها هستند. همچنین، روشهای پس از تولید مانند آنیل کردنتابکاری و نورد (roll milling) برای دستیابی به توزیع یکنواختی از CNTها مفید هستند. در مطالعه دیگری ساخت TPU/CNT از طریق روش فیلتراسیونصافش یک مرحلهای انجام شد. برای کامپوزیت های زمینه پلی اتیلن (PE)، استفاده از فرایند های تف جوشی یا اکسترودکردنژن منجر به تولید کامپوزیت های همگن میشود. اخیراً فناوری لاتکس توسعه یافته است که شامل مخلوط کردن CNTها و ماتریس لاتکس PP در امولسیون آبی و به دنبال آن خشک کردن انجمادی و پرس گرم است. در کامپوزیتهای ماتریس PMMA، فناوری لاتکس در کنار استفاده از گروههای عاملسازی -COOH و -SOCl2 متصل به CNTها میتوانند عملکرد مکانیکی کامپوزیت را بهبود دهند [17].
برای نانولولههای عامل دار فلزی، اخیراً از نانوذراتی (NPs) مانند نقره، طلا، مس و پلاتین استفاده شده است. این نانوذرات فلزی به دلیل ماهیت شیمیایی فعالشان، نوید بهبود خواص CNT ها را میدهند. به طور کلی، دو روش برای دستیابی به پیوند فلز و CNT وجود دارد، (1) اتصال مستقیم و (2) اتصال از طریق استفاده از پیوندهای خاص در اطراف CNTها. اتصال مستقیم گروههای عاملی مانند گروههای کربوکسیل (COOH-) و هیدروکسیل (OH) را با استفاده از اسید، تبخیر حرارتی یا پرتو الکترونی میتوان انجام داد. در روشهای اتصال غیرمستقیم، نانوذرات از طریق گروهها یا مولکولهای شیمیایی به نانولولههای کربنی متصل میشوند. در مقایسه با اتصال مستقیم، این روش دستیابی NP نانوذره به عملکرد و خواص بهتر را تسهیل میکند. مطالعات نشان داده است که روشهای اتصال غیرمستقیم نانوذرات فلزی به نانولولههای کربنی به فرآیند فرایند پراکنش کمک میکند و چسبندگی سطحی را افزایش میدهد؛ بنابراین، خواص مکانیکی در مقایسه با سایر کامپوزیتها را بهبود میدهد [18].
زوو و همکارانش (Zou et al.) [19] نمونههای کامپوزیتی پایه پلی پروپیلنی تقویتشده با نانولولههای کربنی را تولید و مشخصهیابی کردند. نانولولههای مورد استفاده در این پژوهش از نوع نانولولههای چنددیواره بودند. در این تحقیق به اندازه 3 الی 7 درصد وزنی نانولولههای کربنی به ساختار ماتریس پلیمری افزوده شد. نتایج بررسیهای مکانیکی نشان داد که حضور نانولولههای کربنی منجر به بهبود مدول الاستیسیتهکشسانی و سختی میشود. اما اگر میزان نانولولههای کربنی بیشتر از 7 درصد وزنی شود، خواص مکانیکی نمونهها تخریب میشود. بر اساس گزارشهایات ارائه شده در مقاله دلیل این پدیده بحث آگلومره شدنکلوخگی عامل تقویتکننده بود.
ونکاتسان و همکارانش (Venkatesan et al.) [20] کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه و نانولولههای کربنی را مورد ارزیابی قرار دادند. نمونههای کامپوزیتی شامل مقادیر ۱، ۳ و ۵ درصد وزنی از نانولولههای کربنی بودند. نتایج ارزیابی نشان داد که با حضور ذرات تقویتکننده CNT نرخ سایش نمونهها کاهش پیدا میکند. دلیل این موضوع به خاصیت روانکاری CNT نسبت داده شد.
اسکافارو و همکارانش [21] تاثیر تأثیر همافزایی CNT و ذرات گرافن در بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت پلیمری را مورد بررسی قرار دادند. ماتریس مورد استفاده در این مقاله پلیلاکتیک اسید (PLA) بود. نمونههای مورد بررسی در این پژوهش شامل نمونههای تقویت شده با 5/0 درصد وزنی گرافن، نمونههای تقویتشده با 5/0 درصد وزنی CNT و نمونههای تقویتشده با مجموع گرافن و CNT 5/0 درصد وزنی بود. نتایج بررسیهای مکانیکی نشان داد که نمونههای شامل ذرات تقویتکننده CNT به همراه گرافن دارای خواص مکانیکی بهتری نسبت به حالت خالص هستند. این در حالی بود که سختی نمونههای تقویتشده با فقط CNT بیشتر از سایر نمونهها بود.
ژنگ و همکارانش [22] کامپوزیت پلیمری تقویتشده با نانولولههای کربنی چنددیواره را تولید و مشخصهیابی کردند. نتایج ارائه شده در این مقاله نشان داد که با حضور ذرات تقویتکننده CNT در داخل ماتریس پلیمری، خواص مکانیکی نمونههای مورد بررسی به صورت چشمگیری بهبود پیدا کرده است. شکل 5 بهبود خواص کششی نمونه را در حضور ذرات تقویتکننده CNT را نشان میدهد. این در حالی بود که نتایج تصاویر SEM نشان داد که ذرات CNT در ماتریس پلیمری به خوبی توزیع شدهاند. شکل 6 توزیع یکنواخت ذرات CNT در ساختار نمونه را نشان میدهد. نقاط سفیدرنگ مربوط به ذرات CNT میباشداست.
شکل 5 خواص مکانیکی نمونه خالص و کامپوزیت تقویت شده با CNT [22].
شکل 6 توزیع یکنواخت CNT در ساختار الف) در بزرگنمایی 5000 برابر، ب) در بزرگنمایی 20000 برابر [22].
بر اساس مطالعات صورت گرفته توسط گوژینی و همکارانش [23] مشخص شد که مدول یانگ، استحکام و کرنش شکست حتی با افزودن 01/0 درصد CNT در ساختار کامپوزیتهای پلیمری افزایش مییابد. بر اساس گزارشهایات ارائه شده در خصوص بهبود خواص مکانیکی کامپوزیتهای پلیمری در اثر افزودن ذرات CNT مطالعات بسیاری شده است. اغلب مشخص شده است که با حضور مقدار بسیار ناچیزی از ذرات CNT، خواص مکانیکی نمونه ها به صورت چشمگیری بهبود پیدا میکند. نحوه پخش CNT در ساختار پلیمری یکی از مهمترین فاکتورهای تاثیرگذار تأثیرگذار در میزان بهبود خواص مکانیکی کامپوزیتها میباشداست. مشخص شده است که توزیع مناسب و یکنواخت CNT در ساختار کامپوزیتهای پلیمری منجر به بهبود چسبندگی عامل تقویت کننده به ماتریس پلیمری میشود. بهبود چسبندگی ذرات CNT به ماتریس پلیمری باعث میشود که جنبش و تحرک زنجیره های پلیمری در هنگام بارگذراری محدود شده و نتیجه این امر بهبود مدول خمشی کامپوزیت است. نتایج مطالعه ژانگ و همکارانش [24] نشان داد که حضور تنها 1 درصد وزنی CNT در ماتریس اپوکسی منجر به بهبود 10 درصدی استحکام میشود.
ژانگ و همکارانش [25] تاثیر تأثیر ابعاد CNT و میزان توزیع یکنواخت این ذرات را بر خواص خستگی کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با CNT را بررسی کردند. بر اساس گزارشهایات ارائه شده در این مقاله مشخص شده است که قطر کم و طول زیاد CNT منجر به مقاومت نمونه در برابر رشد ترک خستگی میشود.
هاشمی و همکارانش [26]، CNT را در استون پخش کردند تا تودههای به هم چسبیده احتمالی CNT ها از یکدیگر جدا شود. در ادامه اپوکسی را به مخلوط CNT و استون اضافه کردند. به منظور بهبود توزیع یکنواخت CNT در ماتریس اپوکسی/استون، نمونه را به مدت 1 ساعت در همزن اولتراسونیک فراصوت مخلوط کردند. در ادامه به منظور خروج استون از مخلوط، نمونه را به مدت 2 ساعت در داخل محیط خلأا قرار دادند. در ادامه به منظور حبابزدایی و خروج هر گونه گاز از مخلوط، نمونه به مدت 20 دقیقه گاززدایی شد تا هوای به دام افتاده در ساختار از بین برود. در ادامه عامل پخت به رزین افزوده شد و به منظور راستا جهتدادن به CNT ها در رزین اپوکسی، نمونه تحت یک میدان الکتریکی مشخصی قرار گرفت. جهتگیری نانولولههای کربنی منجر به بهبود چشمگیر خواص مکانیکی نمونهها نسبت به حالت تصادفی قرارگیری CNTها شد. شکلگیری نانولولههای کربنی در شکل 7 نشان داده شده است.
شکل 7 جهتدهی CNT ها در ساختار کامپوزیت پایه پلیمری [26].
افزایش میزان CNT در کامپوزیت ماتریس اپوکسی تولید شده در این پژوهش منجر به بهبود خواص مکانیکی میشود. این در حالی است که در مقادیر بیشتر از 3/0 درصد وزنی CNT خواص مکانیکی نمونهها تضعیف میشود. دلیل این موضوع آگلومره شدنکلوخگی ذرات CNT در ماتریس اپوکسی میباشداست. همچنین نیروی واندوالسی قوی میان CNT ها میتواند موجب به هم چسبیدگی CNT ها و تودهای شدن آن ها شود. این موضوع میتواند منجر به رشد سریعتر ترک شده و خواص مکانیکی کامپوزیت را تضعیف کند. شکل 8 ریزساختار سطح شکست نمونههای خالص، کامپوزیتی جهت دادهشده به CNT و کامپوزیتی بدون جهتگیری CNT را نشان میدهد. با توجه به مطالب ارائهشده در مقاله، دلیل بهبود خواص مکانیکی در حضور CNT، پل زدن و پین کردنثابت نگهداشتن ماتریس توسط CNT مطرح شده است [26].
شکل 8 الف) سطح شکست اپوکسی خالص، ب) سطح شکست کامپوزیت بدون راستا دادن به CNT، ج و د) سطح شکست کامپوزیت با جهت دادن به CNT [26].
بر اساس مطالعات صورت گرفته توسط کیم و همکارانش از اسیدها به منظور جهتدهی به CNTها استفاده شد. هدف کلی از این فرایند افزایش قابلیت پخش MWCNT ها در ماتریس پلیمری است. CNTها به دلیل برهمکنشهای قوی واندروالسی که دارند به راحتی تودهای شده و باندلهایی را تشکیل میدهند. بنابراین، پراکندگی یکنواخت نانولولههای کربنی در محلول پلیمری یک مرحلهای ضروری برای تشکیل کامپوزیت ایدهآل است. در این فرایند گروههای کربوکسیلیک روی سطح CNTها تشکیل میشود. این گروههای کربوکسیلیک به شدت با حلالهای آلی یا ماتریس پلیمری تعامل دارند، بنابراین پراکندگی CNT در محلول پلیمری تسهیل میشود. نانولولههای کربنی عاملدار در طول فرآیند فرایند در میدان الکتریکی دوقطبی شده و نانولولهها در یک راستا قرار میگیرند (شکل 9).
شکل 9 جهتگیری نانولولههای کربنی عاملدار [27].
یک نقص عمده کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف کربنی عملکرد بینلایهای آنهاست. بنابراین تحقیقات زیادی با این هدف انجام شده است. به عنوان نمونه کویرالا و همکاران (Koirala et al.) [28] با ترکیب ورقههای فوق نازک CNT بین لایههای CFRPها (Carbon Fiber Reinforced Polymers) راه حلی را برای غلبه بر این مشکل ارائه دادند. برای این منظور، پارچههای الیاف کربن خشک ابتدا بین صفحات CNT قرار میگیرند. سپس پارچهها چسبانده شده و با اپوکسی تزریق میشوند تا یک CFRP با ورقههای CNT بین لایهای تشکیل شود. در این مطالعه برخلاف رویکرد معمولی که در آن نانولولههای کربنی با طول میکرونی بهطور تصادفی در یک CFRP برای تقویت توزیع میشوند، از ورقهای CNT با ضخامت 100 نانومتر متشکل از نانولولههای همتراز و بسیاربلند (3/0 میلیمتر) استفاده میشود. علیرغم کسر وزن ناچیز آنها که تنها 016/0 درصد است، ورقهای CNT بین لایهای استحکام خمشی CFRP را تا 49 درصد (شکل 10)، استحکام برشی بین لایهای را تا 30 درصد و چقرمگی شکست را تا 30 درصد افزایش دادند. در تحقیقات دیگری تلاش شده است با اصلاح الیاف یا ماتریس از طریق افزودن نانوپرکننده یا روشهای فرآورش فراورش شیمیایی سطح مشترک بین الیاف CNT و ماتریس را تقویت بخشند [26].
شکل 10 خواص مکانیکی کامپوزیت تقویت شده با مقادیر مختلف CNT [28].
نتایج تحقیقات نشان داده است ترکیب تقویتکنندههای نانومتری الیاف کربن در ساختار پلیمرهای تقویتشده با الیاف کربنی (CFRPs) رفتار خستگی CFRPs را بدون نیاز به اصلاح ماتریس پلیمری دستخوش تغییر قرار میدهد [29]. گریمر و داران (Grimmer and Dharan) [30] 0/1 درصد وزنی MWCNTها را در یک ماتریس اپوکسی پراکنده کردند، و در حالی که هیچ تغییری در استحکام کششی مشاهده نشد، بهبود قابل توجهی در طول عمر خستگی تنش-کشش آنها مشاهده شد. داویس و همکاران (Davis et al.) [31] از CNTهای ویژهای در درصدهای وزنی مختلف برای ساخت CFRP هیبریدی استفاده کردند. آنها 2-1 مرتبه بهبود در طول عمر خستگی تنشی CFRP را از طریق ترکیب 3/0 درصد وزنی فلوئور XD-CNT (CNTهای درجه صنعتی شامل ترکیبی از CNTهای تک جداره، دو جداره و چند جداره) گزارش کردند. با این حال، آنها هیچ بهبودی در طول عمر خستگی برای مقادیر CNTها 2/0 درصد وزنی یا کمتر گزارش نکردند، که نشان می دهد این مقادیر CNT برای جلوگیری از رشد ترک خستگی در داخل ماتریس کافی نیست. پراکنش رضایتبخش نانوتقویتکننده برای بهبود عملکرد خستگی FRPهای هیبریدی بسیار مهم است. به عنوان مثال، در یک مطالعه اخیر [32]، ترکیب 5/0 درصد وزنی MWCNTها هیچ بهبودی نشان نداد، در حالی که افزودن 0/1 درصد وزنی MWCNT منجر به تخریب قابل توجهی در عمر خستگی یک GFRP هیبریدی شد. به طور کلی، استفاده از مقادیر بالای نانوپرکنندهها میتواند بهدلیل دشواری پراکندگی آنها در ماتریسهای پلیمری به شدت محدود شود. تمایل ذاتی CNTها به اگلومره شدنکلوخگی، درصد وزنی اختلاط قابل دوام آنها را به کمتر از 3 درصد وزنی محدود میکند. آگلومرههای کلوخههای CNTها عملکرد مکانیکی ماتریس میزبان را به چالش میکشند؛ زیرا آنها مکانهای احتمالی تمرکز تنش را در داخل ماده میزبان فراهم میکنند. علاوه بر این، مخلوط کردن مقدار کمی از CNTها در یک ماتریس پلیمری به طور چشمگیری ویسکوزیته گرانروی پلیمر را افزایش میدهد و از نفوذ ماتریس در بین الیاف در طول فرآیند فرایند ساخت کامپوزیت جلوگیری میکند [33, 34]. چندین تحقیق بر روی بهبود استحکام سطح مشترک لیف/ماتریس برای جلوگیری موثر از شروع ترک و انتشار در هنگام خستگی متمرکز شدهاند. لسکو و همکاران (Lesko et al.) [35] تأثیر فرآوری فراوری سطحی الیاف را بر عملکرد مکانیکی استاتیکی و خستگی CFRPهای متعامد گزارش کردهاند. فرآوری فراوری بیشتر سطح بر پایه اصلاح اندازه الیاف باعث افزایش جزئی در عمر خستگی تحت بارگذاری کششی-فشاری دینامیکی شد.
بر اساس مطالعات صورت گرفته توسط لی و همکارانش (Lie et al.) [36] خواص مکانیکی کامپوزیتهای ماتریس اپوکسی تقویت شده با CNT و گرافن (VG) مورد ارزیابی قرار گرفت. استفاده توام CNT و گرافن (VG120) منجر به بهبود استحکام خمشی تا 39/349 درصد در مقایسه با رزین اپوکسی خالص شد. بر اساس داده های ارائه شده در این پژوهش استحکام خمشی 23/275 مگاپاسکال و استحکام شکست به مقدار 98/9956 کیلوژول مترمکعب رسید. شکل 11 نتایج مربوط به آزمون های مکانیکی صورت گرفته در این پژوهش را نشان میدهد.
شکل 11 تغییرات خواص مکانیکی در اثر افزودن CNT و گرافن [36].
یکی از مکانیزمهای سازوکارهای استحکامدهی توسط حضورCNT بحث اثر پل زدن توسط CNTها میباشداست. اثر پل زدن نانولولههای کربنی میتواند از شروع ترکها در ماتریس جلوگیری کرده و رشد ترکها را کند کند؛، به طوری که شروع و رشد ترکها به بارهای بیشتری نیاز داشته باشند. همانطور که در شکل 12 نشان داده شده است، نانولوله های کربنی با فرایند پل زدن در ماتریس و ممانعت از رشد ترک، باعث میشوند که انرژی بیشتری به منظور رشد ترک نیاز باشد. بنابراین حضور این تقویت کننده در ماتریس پلیمری منجر به افزایش چقرمگی نمونه میشود [37].
شکل 12 ممانعت از انتشار ترک توسط پل زدن نانولولههای کربنی [37].
3 پتانسیلهای کاربردی CNTها
کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با نانولولههای کربنی به دلیل خواص مهندسی برتر آنها نسبت به سایر مواد مهندسی برای کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار گرفتهاند. کاربردهای متنوع این نانوکامپوزیت های پلیمری به خواص مطلوب خود CNT ها متکی است. علاوه بر این، سازگاری خوب نانولولههای کربنی با ماتریسهای پلیمری، پتانسیل این مواد را برای استفاده در انواع کاربردهای پیشرفته، مانند الکترونیک، خودرو، منسوجات، هوافضا، تجهیزات ورزشی، حسگرها، دستگاههای ذخیره انرژی و، فیلترها صافیها افزایش داده است.
نانوکامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با نانولولههای کربنی به دلیل سختی و استحکام فوقالعاده، چقرمگی بالا، پتانسیل آنها برای استفاده در کاربرد های بسیار صنعتی را ایجاد میکند. از جمله کاربردهای این دسته از مواد مهندسی، استفاده از آنها در زرههای نظامی میباشداست. هنگامی که گلوله به زره برخورد میکند، الیاف این کامپوزیت انرژی ضربه را جذب کرده و به لایههای بعدی توزیع میکند تا گلوله نتواند در زره نفوذ کند. شکل 13 شماتیک طرحواره مقاومت یک نانولوله کربنی در برابر ضربه یک جسم نافذ مانند گلوله را نشان میدهد [2].
شکل 13 مدل دینامیک مولکولی یک CNT در معرض ضربه پرتابی (الف) مدل اولیه، (ب) یک نانولوله تغییر شکل یافته در حداکثر جذب انرژی آن [2].
کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) به طور گستردهای به عنوان مواد ترمیمکننده یا تقویتکننده بتن تقویتشده (Reinforced Concrete) فرسوده استفاده می شوند. بر اساس پژوهش صورت گرفته در 2022، نقش CNT به عنوان یک افزودنی برای افزایش استحکام پیوند بین بتن و CFRP مورد ارزیابی قرار گرفت. در این مطالعه، دو نوع CNT (نانولولههای کربنی تک جداره (SWCNTs) و نانولولههای کربنی چند جداره (MWCNTs)) با دو نوع مختلف اپوکسی مخلوط شدند. آزمایشهایات مکانیکی به منظور بررسی انرژی شکست و تشکیل ترک بین صفحه CFRP و بتن انجام شد. نتایج نشان داد که اپوکسی اصلاح شده توسط 5/0٪ SWCNTs و 0/1٪ MWCNTs منجر به بهبود خواص مکانیکی میشود [38].
4- نتیجهگیری
در مقاله حاضر کامپوزیت و انواع کامپوزیت های پلیمری مطرح شده و عوامل تقویت کننده کامپوزیتهای پلیمری تشریح شدند. در اصل، نانولولههای کربنی دارای خواص شیمیایی و فیزیکی عالی هستند که آنها را به تقویتکنندههای ایدهآل و امیدوارکننده در کامپوزیتهای پلیمری تبدیل میکند. نتایج ارزیابی مقالههایات سایر محققین در خصوص کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با انواع ذرات بهخصوص نانولولههای کربنی نشان داد که حضور ذرات تقویتکننده در هر صورت منجر به بهبود خواص مکانیکی کامپوزیتهای پلیمری میشوند که در اغلب موارد این موضوع به دلیل استحکام و سختی بالاتر عضو تقویتکننده مانند CNT بود. این در حالی بود که در صورت افزودن عامل تقویتکننده بیشتر از حد مشخصی، پدیده آگلومره شدنکلوخگی و تودهای شدن ذرات تقویتکننده اتفاق افتاده و منجر به افت خواص مکانیکی کامپوزیتها میشود. بنابراین بهبود کارایی مکانیکی و خواص مکانیکی کامپوزیتها با افزودن عامل تقویتکننده یک حد مشخصی داشته و نمیتوان صرفاً با افزایش مقدار ذرات تقویتکننده انتظار داشت که خواص مکانیکی نیز بهبود پیدا خواهند کرد. جهت دادن به CNT منجر به بهبود خواص مکانیکی نسبت به حالتی میشود که CNTها به صورت تصادفی در ساختار پراکنده میشوند. بر اساس مطالعات موجود، ثابت شده است که خواص مکانیکی کامپوزیتهای پلیمری CNTها تحت تأثیر برهمکنش بین تقویتکنندهها و ماتریسهای پلیمری است. چالش اصلی، تمایل CNTها به آگلومره شدنکلوخگی است که منجر به خواص مکانیکی ضعیف میشود که میتواند کل عملکرد ساختارهای کامپوزیت را تضعیف کند. محققان روش های مختلفی را برای توزیع و جهتدهی CNTها ارائه کردهاند. چندین فاکتور عامل در بهبود خواص مکانیکی این دسته از کامپوزیتها تاثیرگذار تأثیرگذار هستند؛ از این میان میتوان به مقادیر CNTها، اندازه آنها، توزیع و جهتگیری، تغییرات سطحی مناسب در سطح CNTها و روشهای ساخت اشاره کرد. یافتن تعادل بهینه بین این پارامترها بسیار مهم است. بنابراین، پرداختن به همه چالش های مطرحشده برای مطالعه در تحقیقات آینده در مورد استفاده از CNTها در کامپوزیتهای پلیمری حائز اهمیت خواهد بود.
مراجع
[1] Li Y., Huang X., Zeng L., Li R., Tian, H., Fu X., Wang Y., Zhong W.H. A Review of the Electrical and Mechanical Properties of Carbon Nanofiller-Reinforced Polymer Composites. Journal of Materials Science, 54, 1036–1076, 2019.
[2] Nurazzi N.M., Sabaruddin F.A., Harussani M.M., Kamarudin S.H., Rayung M., Asyraf M.R.M., Aisyah H.A., Norrrahim M.N.F., Ilyas R.A., Abdullah N., Zainudin E.S., Sapuan S.M., Khalina A., Mechanical Performance and Applications of CNTs Reinforced Polymer Composites-A Review. Nanomaterials (Basel), 11, 2186, 2021.
[3] Saifuddin N., Raziah A., and Junizah A., Carbon Nanotubes: A Review on Structure and Their Interaction with Proteins. Journal of Chemistry, 2013, 2013.
[4] Takakura A., Beppu K., Nishihara T. et al., Strength of Carbon Nanotubes Depends on Their Chemical Structures. Nature Communications, 10, 3040, 2019.
[5] https://www.fortunebusinessinsights.com/carbon-nanotubes-cnt-market-102700. Available in Nov, 2021.
[6] Zakaria M. R., Md Akil H., Abdul Kudus M. H., Ullah F., Javed F., Nosbi N., Hybrid Carbon Fiber-Carbon Nanotubes Reinforced Polymer Composites: A Review. Composites Part B: Engineering, 176, 2019.
[7] Xie S., Li W., Pan Z., Chang B., Sun L., Mechanical and Physical Properties on Carbon Nanotube. Journal of Physics and Chemistry of solids, 61, 1153-1158, 2000.
[8] Egbo, M.K., A Fundamental Review on Composite Materials and Some of Their Applications in Biomedical Engineering. Journal of King Saud University-Engineering Sciences, 33, 557-568, 2021.
[9] Kumar A., Sharma K., and Dixit A.R., A Review on the Mechanical Properties of Polymer Composites Reinforced by Carbon Nanotubes and Graphene. Carbon Letters, 31, 149-165, 2021.
[10] Kumar A., Sharma K., and Dixit A.R., Carbon Nanotube-And Graphene-Reinforced Multiphase Polymeric Composites: Review on Their Properties and Applications. Journal of Materials Science, 55, 2682-2724, 2019.
[11] Hsissou, R., Seghiri R., Benzekri Z., Hilali M., Polymer Composite Materials: A Comprehensive Review. Composite structures, 262, 113640, 2021.
[12] Al-Saleh M.H., and Sundararaj U., Review of the Mechanical Properties of Carbon Nanofiber/Polymer Composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 42, 2126-2142, 2011.
[13] Karthik, K., Rajamani D., Manimaran A., Udayaprakash J., Evaluation of Tensile Properties on Glass/Carbon/Kevlar Fiber Reinforced Hybrid Composites. Materials Today: Proceedings, 39, 1655-1660, 2021.
[14] Coleman J. N., Khan U., Blau W. J., Gunko Y.K., Small but Strong: A Review of the Mechanical Properties of Carbon Nanotube-Polymer Composites, Carbon, 44, 1624-1652, 2006.
[15] Mei, H., Xia J., Han D., Xiao S., Deng J., Dramatic Increase in Electrical Conductivity in Epoxy Composites with Uni-Directionally Oriented Laminae of Carbon Nanotubes. Chemical Engineering Journal, 304, 970-976, 2016.
[16] Mecklenburg M., Mizushima D., Ohtake N., Bauhofer W., Fiedler B., Schulte K., On the Manufacturing and Electrical and Mechanical Properties of Ultra-High Wt.% Fraction Aligned MWCNT and Randomly Oriented CNT Epoxy Composites. Carbon, 91, 275-290, 2015.
[17] Kalakonda P., and Banne S., Thermomechanical Properties of PMMA and Modified SWCNT Composites. Nanotechnology, science and applications, 10, 45-52, 2017.
[18] Behera R.P., Rawat P., Tiwari S. K., Singh K. K., A Brief Review on the Mechanical Properties of Carbon Nanotube Reinforced Polymer Composites. Materials Today: Proceedings, 22, 2109-2117, 2020.
[19] Zhou S., Hrymak A.N., Kamal M.R., Electrical, Thermal, and Mechanical Properties of Polypropylene/Multiwalled Carbon Nanotube Micromoldings. Polymer Composites, 41, 1507-1520, 2020.
[20] Venkatesan M., Palanikumar K., Boopathy S.R., Experimental Investigation and Analysis on the Wear Properties of Glass Fiber and CNT Reinforced Hybrid Polymer Composites. Science and Engineering of Composite Materials, 25, 963-974, 2018.
[21] Scaffaro R., and Maio A., Integrated Ternary Bionanocomposites with Superior Mechanical Performance via the Synergistic Role of Graphene and Plasma Treated Carbon Nanotubes. Composites Part B: Engineering, 168, 550-559, 2019.
[22] Zhang W.D., Shen L., Phang I.Y., Liu T., Carbon Nanotubes Reinforced Nylon-6 Composite Prepared by Simple Melt-Compounding. Macromolecules, 37, 256-259, 2004.
[23] Tang L.-C., Wan Y.-J., Peng K., Pei Y., Wu, L., Chen L., Shu L., Jiang J., Lai G., Fracture Toughness and Electrical Conductivity of Epoxy Composites Filled with Carbon Nanotubes and Spherical Particles. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 45, 95-101, 2013.
[24] Zhang J., Ju S., Jiang D., Peng H., Reducing Dispersity of Mechanical Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites by Introducing Multi-Walled Carbon Nanotubes. Composites Part B: Engineering, 54, 371-376, 2013.
[25] Zhang W., Picu R., Koratkar N., The Effect of Carbon Nanotube Dimensions and Dispersion on the Fatigue Behavior of Epoxy Nanocomposites. Nanotechnology, 19, 285709, 2008.
[26] Mousavi S., Alignment of Multi Wall Carbon Nanotube in Epoxy Polymer Matrix and Investigating the Effect of CNT’s Alignment on the Mechanical Properties of Composite. In Proceedings of the Second International Conference on New Approaches in Science, Engineering and Technology, Istanbul, Turkey. 2015.
[27] Kim S., Jung S., Kim W.-J., Vertical Alignment of Carbon Nanotubes in Photo-Curable Polymer for Multi-Functional Hybrid Materials. Applied Surface Science, 612, 155749, 2023.
[28] Koirala P., Werken N., Lu H., Baughman R.H., Ovalle-Robles R., Tehrani M., Using Ultra-Thin Interlaminar Carbon Nanotube Sheets To to Enhance the Mechanical and Electrical Properties of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites. Composites Part B: Engineering, 216, 108842 2021.
[29] Boroujeni A.Y. and Al-Haik M., Carbon Nanotube – Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites with Extended Fatigue Life. Composites Part B: Engineering, 164, 537-545, 2019.
[30] Grimmer C.S. and Dharan C.K.H., High-Cycle Fatigue of Hybrid Carbon Nanotube/Glass Fiber/Polymer Composites. Journal of Materials Science, 43, 4487-4492, 2008.
[31] Davis D.C., Wilkerson J.W., Shu J., Ayewah D., Improvements in Mechanical Properties of A Carbon Fiber Epoxy Composite Using Nanotube Science and Technology. Composite Structures, 92, 2653-2662, 2010.
[32] Borrego L.P., Costa J.D.M., Ferreira J.A.M., Silva H., Fatigue Behaviour of Glass Fibre Reinforced Epoxy Composites Enhanced with Nanoparticles. Composites Part B: Engineering, 62, 65-72, 2014.
[33] Yousefi N., Fisher S.J., Burgstaller C. Shaffer M.S.P., Bismarck A., Hierarchical Carbon Fibre Composites Incorporating High Loadings of Carbon Nanotubes. Composites Science and Technology, 222, 109369, 2022.
[34] Qian H., Greenhalgh E.S., Shaffer M.S.P., Bismarck A., Carbon Nanotube-Based Hierarchical Composites: A Review. Journal of Materials Chemistry, 20, 4751-4762, 2010.
[35] Lesko J.J., Swain R.E., Cartwright J.M., Chin J.W., Reifsnider K.L., Dillard D.A., Wightman J.P., Interphases Developed from Fiber Sizing’s and Their Chemical-Structural Relationship to Composite Compressive Performance, The Journal of Adhesion, 45, 43-58, 2020.
[36] Han L., Li k., Xiao C., Yin X., Gui X., Song Q., Ye F., Carbon Nanotube-Vertical Edge Rich Graphene Hybrid Sponge as Multifunctional Reinforcements for High Performance Epoxy Composites. Carbon, 201, 871-880, 2023.
[37] Liu Y., Li J., Kuang Y., Interlaminar Properties of Carbon Nanotubes Modified Carbon Fibre Fabric Reinforced Polyimide Composites. Journal of Composite Materials, 57, 1277-1288, 2023.
[38] Jongvivatsakul, P., Thongchom C., Mathuros A., Prasertsri T., Adamu M., Orasutthikul S., Lenwari A., Charainpanitkul T., Enhancing Bonding Behavior Between Carbon Fiber-Reinforced Polymer Plates and Concrete Using Carbon Nanotube Reinforced Epoxy Composites. Case Studies in Construction Materials, 17, 01407, 2022.
