Les scientifiques calculent comment les nanotubes de carbone et leurs fibres subissent la fatigue

Ici, dans le monde macro, nous nous sentons tous fatigués de temps en temps. Il en va de même pour les faisceaux de nanotubes de carbone, quelle que soit la perfection de leurs composants individuels.

Une étude de l’Université Rice a calculé comment la contrainte et la contrainte affectent à la fois les nanotubes « parfaits » et les nanotubes assemblés en fibres et a constaté que les fibres peuvent échouer sous des charges cycliques au fil du temps, mais les tubes eux-mêmes peuvent rester parfaits. La durée pendant laquelle les tuyaux ou leurs fibres résistent à leur environnement mécanique peut déterminer leur caractère pratique pour les applications.

C’est dans ce cadre que l’étude a été menée. apparaît Avancées scientifiques, important pour le théoricien des matériaux de Rice Boris Yakobson, le doctorant Nitant Gupta et le professeur adjoint de recherche Evgeni Penev de la George R. Brown School of Engineering de Rice. Ils ont quantifié les effets du chargement cyclique sur les nanotubes à l’aide de techniques de simulation de pointe telles qu’une méthode de Monte Carlo cinétique. Ils espèrent donner aux chercheurs et à l’industrie un moyen de prédire combien de temps les fibres de nanotubes ou d’autres assemblages sont susceptibles de durer dans certaines conditions.

« La dépendance temporelle de la résistance ou de l’endurance d’un seul nanotube a été étudiée dans notre groupe il y a longtemps, et maintenant nous examinons son effet sur le cas de chargement cyclique des tubes et de leurs fibres, ou plus généralement des assemblages », dit Penev. «Récemment, certaines expériences ont rapporté que les nanotubes de carbone et le graphène échouent catastrophiquement à cause de la fatigue sans dommages progressifs.

Les nanotubes de carbone parfaits, considérés comme l’une des structures les plus solides de la nature, ont tendance à le rester à moins qu’un impact dramatique ne profite de leur nature fragile et les brise en morceaux. En utilisant des simulations au niveau atomique, les chercheurs ont découvert que les nanotubes supportent bien le stress de routine dans des conditions ambiantes et même lorsqu’ils sont pliés ou pliés. Lorsque des défauts ponctuels (également appelés défauts Stone Wales) surviennent spontanément, les effets sur ces nanotubes « infatigables » sont négligeables.

Ils ont constaté que les mêmes principes s’appliquent aux graphiques sans défaut.

Mais lorsque des millions de nanotubes sont regroupés dans des fibres filiformes ou d’autres configurations, la force de van der Waals qui lie les nanotubes parallèles entre eux ne les empêche pas de glisser. Plus tôt cette année, les chercheurs ont montré comment la friction entre les tubes conduit à des interfaces plus solides entre les nanotubes et est responsable de leur incroyable résistance. Avec ce modèle, ils ont testé comment la fatigue peut se développer sous une charge cyclique et comment cela conduit finalement à une défaillance.

Chaque fois qu’une fibre de nanotube est étirée ou étirée, elle reprend généralement sa forme d’origine une fois la tension relâchée. « La plupart du temps » est la clé ; Il y a un certain glissement résiduel qui peut augmenter à chaque cycle. C’est ça la plasticité : déformation avec reprise incomplète irréversible.

« Le chargement cyclique de la fibre de nanotube fait glisser les tubes adjacents soit vers l’extérieur, soit vers l’autre, selon la partie du cycle dans laquelle ils se trouvent », a expliqué Gupta. « Ce glissement n’est pas le même, ce qui entraîne une accumulation d’allongement total à chaque cycle. C’est ce qu’on appelle le cliquet d’allongement car l’allongement total augmente toujours dans une direction, tout comme un cliquet se déplace dans une seule direction. »

Les chercheurs ont découvert que les fibres de pointe devraient être capables de surmonter le risque de défaillance en surmontant l’inévitable glissement.

« Comme nous le savons, certaines des meilleures stratégies pour fabriquer des fibres de nanotubes peuvent entraîner des résistances à la traction supérieures à 10 gigapascals (GPa), ce qui est incroyable pour leur utilisation quotidienne », a déclaré Gupta. « Nous avons également constaté lors de nos tests que leur résistance à la fatigue peut atteindre 30 à 50 %, ce qui signifie que les fibres peuvent avoir une durée de vie d’au moins 3 GPa pendant une période de temps pratiquement indéfinie. Cela est très prometteur pour leur utilisation. comme matériaux structurels à faible densité.