Wie Kohlenstoffnanoröhren die Festigkeit von Materialien neu definieren
Was ist 100 Mal stärker als Stahl und dennoch leichter als Aluminium? Kohlenstoffnanoröhren gehören zu den stärksten Materialien, die jemals entdeckt wurden, doch Ingenieure fangen gerade erst an, ihr volles Potenzial auszuschöpfen.
Kohlenstoffnanoröhren sind ein Allotrop des Kohlenstoffs , was bedeutet, dass sie eine von mehreren möglichen Anordnungen von Atomen sind, die Kohlenstoff einnehmen kann . In der Natur kommt reiner Kohlenstoff entweder in Form von Graphit vor , ein weicher flockiger Feststoff, oder Raute , das transparent und das härteste natürlich vorkommende Material ist.
Kohlenstoffnanoröhren sind enger mit Graphit verwandt als mit Diamant. Obwohl Graphit sehr weich ist, besteht er aus Schichten von Kohlenstoffatomen, die in Schichten angeordnet sind, die ein Atom dick sind. Diese einzelnen Blätter werden Graphen genannt, und Kohlenstoff-Nanoröhren sind das, was Sie erhalten würden, wenn Sie ein Graphenblatt in die Form einer Röhre rollen .
Graphen ist ein bemerkenswertes Material für sich. Wie Kohlenstoffnanoröhren ist es unglaublich stark . Der Nobelpreis für Physik 2010 wurde dem Team verliehen, das zuerst eine Graphenschicht isolierte, und Graphen ist so stark, dass theoretisch eine etwa ein Milligramm schwere Graphenschicht eine Katze halten könnte .
Diese hypothetische „Katzenhängematte“ wäre nur ein Atom dick und völlig unsichtbar für das menschliche Auge . Kohlenstoffnanoröhren werden aus einer oder mehreren Graphenschichten gebildet, die in einer Röhre angeordnet sind, und sind außerdem extrem stark .
Laut dem Dokument der Nobel-Akademie könnte man, wenn man eine ein Quadratmeter große Hängematte aus Graphen „zwischen zwei Bäume bindet, ein Gewicht von etwa 4 Kilogramm aufbringen, bevor sie brechen würde. Damit sollte es möglich sein, aus Graphen eine fast unsichtbare Hängematte herzustellen, die eine Katze halten könnte, ohne zu zerbrechen.
Derzeit werden Kohlenstoffnanoröhren hauptsächlich zur Verbesserung der Eigenschaften von Polymerverbundwerkstoffen eingesetzt . Kohlenstoffnanoröhren können eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften bieten:
- Sehr hohe Festigkeit
- Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
- Hohe elektrische Leitfähigkeit
- Hohe Wärmeleitfähigkeit
Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren
Im Vergleich zu anderen Verstärkungsmaterialien sind Kohlenstoffnanoröhren erheblich stärker als andere Fasern in faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen verwendet. Jüngste Forschung konzentrierte sich auch auf die Entwicklung von funktionell abgestuften Polymeren, bei denen Kohlenstoffnanoröhren strategisch verteilt sind innerhalb einer Polymerstruktur, um ihr benutzerdefinierte mechanische Eigenschaften zu verleihen.
| Material | Stärke (Datenquellen in Links) |
|---|---|
| Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren | 11–63 GPa |
| Kohlefaser | 3,5–5,5 GPa |
| Glasfaser | 3,5–4,6 GPa |
| Kevlar | 3,0 GPa |
| Stahl | 0,23–0,73 GPa |
Kohlenstoffnanoröhren bieten auch gute elektrische und thermische Leitfähigkeit , was sie für Elektronikverpackungsanwendungen oder als Additive für Polymere und Klebstoffe nützlich macht um sie leitfähig zu machen. Traditionell waren Metalle das Hauptmaterial, das als elektrische und thermische Leiter in der Elektronik verwendet wurde, da Polymere und Keramiken im Vergleich eine schlechte elektrische und thermische Leitfähigkeit boten.
Jedoch durch Hinzufügen von Kohlenstoffnanoröhren können mehrere Polymere leitfähig gemacht werden , was neue Möglichkeiten für eine schnellere, kostengünstigere Elektronikfertigung eröffnet .
| Material | Elektrische Leitfähigkeit (Datenquellen in Links) | Wärmeleitfähigkeit (Datenquellen in Links) |
|---|---|---|
| Einwandige Kohlenstoffnanoröhren | 10 2 - 10 6 S/cm | 6000 W/mK |
| Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren | 10 3 - 10 5 S/cm | 2000 W/mK |
| Diamant | 10 -2 - 10 -15 S/cm | 900 - 2320 W/mK |
| Graphit | 3,3 - 4000 S/cm | 2,2-298 W/mK |
| Kupfer | 4.3•10 9 - 5,9•10 9 S/cm | 305 - 385 W/mK |
Mit Kohlenstoffnanoröhrchen verstärkte Verbundwerkstoffe
Wenn Graphen und Kohlenstoffnanoröhren so unglaublich stark sind, warum verwenden wir sie dann nicht überall ? Ein Teil mit einer Festigkeit, die mit Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren vergleichbar wäre, wäre im Vergleich zu jedem anderen Material praktisch unzerstörbar.
Um die Herausforderung zu verstehen, die unglaubliche Festigkeit von Kohlenstoffnanoröhren und Graphen zu nutzen, können wir uns den Grund für die Weichheit von Graphit ansehen . Einzelne Graphenschichten sind extrem stark, aber Graphit ist weich, weil die Bindungen zwischen den Graphenschichten schwach sind .
Einzelne Kohlenstoff-Nanoröhren sind eines der stärksten Materialien, die jemals entdeckt wurden, aber sie müssen miteinander verbunden werden, damit ihre Stärke genutzt werden kann .
Kohlenstoffnanoröhren sind das, was Sie erhalten, wenn Sie eine Graphenfolie in die Form einer Röhre rollen.
Aus diesem Grund werden Kohlenstoffnanoröhren häufig als Zusatzstoff in anderen Materialien eingesetzt , meist Polymere, um deren Eigenschaften zu verbessern. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen fügen Stärke hinzu und das „Matrix“-Material, in dem sie verteilt sind, hält alles zusammen. Aber das lässt uns mit der Frage zurück:Warum sind diese winzigen Kohlenstoffnanoröhren so viel stärker als Massenmaterialien? Sie sind stark, weil sie klein sind.
Ultrastarke Nanomaterialien
Der Schlüssel zur Festigkeit von Kohlenstoffnanoröhren liegt in der Tatsache, dass sie aufgrund ihrer geringen Größe fast die theoretische Festigkeit von Kohlenstoff erreichen . Die theoretische Festigkeit eines Materials ist die Spannung, die erforderlich wäre, um einen perfekten Kristall frei von jeglichen Defekten zu brechen.
Beispielsweise beträgt die theoretische Festigkeit von reinem Eisen 31,8 GPa, während massive Stähle Festigkeiten im Bereich von 270–740 MPa aufweisen, weniger als 2,5 % der theoretischen Festigkeit. Dies liegt daran, dass winzige Defekte, die als Versetzungen bekannt sind, die massiven Stähle anfällig für plastische Verformung und Versagen bei niedrigeren Spannungen im Vergleich zu einem hypothetischen defektfreien Kristall machen .
REM-Bild ausgerichteter Kohlenstoffnanoröhren. © Fraunhofer IKTS
Schüttgüter kommen nie an ihre theoretischen Stärken heran denn selbst bei äußerst sorgfältiger Verarbeitung kommt es bei großflächigen Materialien zwangsläufig zu Mikrostrukturfehlern die ihre Kraft mindern. Das ist auch der Grund dafür, dass Menschen leider nie eine große und perfekte Graphenschicht herstellen werden wie die ein Atom dicke Graphen-Katzenhängematte, die bei der Verleihung des Nobelpreises 2010 beschrieben wurde.
Ein so großes Blatt würde mit Sicherheit Mängel enthalten das würde seine Kraft verringern, und die Katze würde die Hängematte zerreißen. Daher konzentriert sich die Verarbeitung der meisten Massenmaterialien auf die Begrenzung der Auswirkungen ihrer mikrostrukturellen Defekte, anstatt Defekte vollständig zu eliminieren . Mit der derzeitigen Technologie ist es praktisch unmöglich, große Mengen an vollkommen fehlerfreiem Material zu erzeugen.
Eine elektronenmikroskopische Aufnahme von elektrochemisch gewachsenen TiO2-Nanoröhren. Die Röhren sind 10.000-mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares und werden mit organischem Polymer in einer neuen Technik zum „Züchten“ von Solarzellen gefüllt, die möglicherweise billiger als aktuelle Solarzellen sind.
Ein fehlerfreies Material zu synthetisieren ist viel besser möglich, wenn das Materialvolumen sehr, sehr klein ist. Einfach ausgedrückt:Eine sehr kleine Materialmenge enthält statistisch weniger Fehler als eine große , und kleine Materialmengen lassen sich leichter durch chemische Wachstumsverfahren erzeugen, die wenige Defekte einführen.
Somit ist es möglich, große Mengen defektfreier Nanoröhren herzustellen , aber es ist nicht möglich, ein großes monolithisches Stück fehlerfreies Material zu erzeugen. Kohlenstoffnanoröhren sind ultrastark, weil sie ultraklein sind wodurch sie fehlerfrei sind.
Kohlenstoffnanoröhren werden zu einem Garn gesponnen.
Es sollte auch beachtet werden, dass die Festigkeit von Materialien gemessen wird, indem die zum Brechen einer Probe erforderliche Kraft durch die Querschnittsfläche dieser Probe dividiert wird , was zu Einheiten wie Megapascal (MPa) führt, was einem Newton pro Quadratmillimeter (N/mm2) entspricht. Somit kompensieren Festigkeitsmessungen automatisch die Materialmenge in einer Probe, und folglich können wir die Festigkeit eines Stahlstabs mit 1 cm Durchmesser mit der eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens mit 1 µm Durchmesser vergleichen.
Das winzige Nanoröhrchen ist viel wahrscheinlicher vollkommen fehlerfrei , und daher extrem stark. Aber um genügend Nanoröhrchen zu bündeln, um ein Teil von gleicher Größe wie der Stahlstab zu schaffen, müssen wir einen faserverstärkten Verbundwerkstoff herstellen .
Ihre geringe Größe und das daraus resultierende Fehlen von Defekten machen Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu einem ultrastarken Nanomaterial , wobei einzelne mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren eine Stärke von 11–63 GPa aufweisen, was nahe an der theoretischen Stärke von Kohlenstoff von 156,0 GPa liegt. Andere Materialien können auch ultraklein gemacht werden , defektfreie „Whisker“, einschließlich Eisen, das eine gemeldete Festigkeit von 13 GPa in Nano-Whisker-Form aufweist, ein Wert, der der theoretischen Festigkeit von Eisen viel näher kommt als Massenstähle.
Viele andere Materialien wurden in Nanoröhren synthetisiert , Nanodrähte oder Whisker bilden sich unter Laborbedingungen, aber Kohlenstoffnanoröhren sind eines der wenigen ultrastarken Nanomaterialien, die in kommerziellen Mengen von Anbietern wie Goodfellow erhältlich sind.
Schlussfolgerungen
Kohlenstoffnanoröhren sind eines der stärksten Materialien, die jemals entdeckt wurden, weil ihre extrem geringe Größe es möglich macht, dass sie fehlerfrei sind und nähern sich der theoretischen Festigkeit von Kohlenstoff . Aus diesem Grund werden Kohlenstoffnanoröhren am häufigsten verwendet, um die Eigenschaften anderer Materialien zu verbessern , z. B. wenn sie zu Polymermatrizen hinzugefügt werden, um ihre Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Die Festigkeit von Kohlenstoffnanoröhren ist um Größenordnungen höher als bei anderen Fasern, die üblicherweise in faserverstärkten Verbundwerkstoffen verwendet werden. Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhrchen ermöglicht auch die Herstellung leitfähiger Polymere für elektronische Anwendungen, bei denen traditionell Metalle verwendet werden.
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