Эволюция структуры пучка одностенных углеродных нанотрубок под действием деформации сжатия

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследовано изменение структуры и свойств пучка углеродных нанотрубок (УНТ) под действием одноосной деформации сжатия в рамках квазитрехмерного компьютерного эксперимента. Рассмотрены равновесные конфигурации поперечного сечения пучка УНТ и проанализированы их энергетические свойства. Установлено, что до деформации сжатия 12% деформация пучка развивается почти однородно, в то время как при более высоких деформациях в пучке начинается ряд структурных перестроек и формируются области с различной степенью эллиптичности поперечных сечений УНТ. При достижении деформации сжатия 24% наблюдаются еще более значительные структурные изменения, включая образование коллапсированных УНТ. Представленные результаты раскрывают механизмы поглощения энергии внешних воздействий пучком УНТ, что важно для разработки материалов, демпфирующих ударные и вибрационные нагрузки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. В. Андрухова

Университет науки и технологий МИСИС

Email: alinamorkina@yandex.ru
Россия, Москва

А. А. Овчаров

ООО “ГПБ-ИТ1”

Email: alinamorkina@yandex.ru
Россия, Москва

Т. В. Андрухова

Алтайский государственный университет

Email: alinamorkina@yandex.ru
Россия, Барнаул

А. Ю. Моркина

Институт проблем сверхпластичности металлов РАН; Уфимский университет науки и технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: alinamorkina@yandex.ru
Россия, Уфа; Уфа

Список литературы

  1. Galiakhmetova L.Kh., Bachurin D.V., Korznikova E.A., Bayazitov A.M., Kudreyko A.A., Dmitriev S.V. Shock loading of carbon nanotube bundle // Mech. Mater. 2022. V. 174. 104460. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2022.104460
  2. Dongju L. et al. Ultrahigh strength, modulus, and conductivity of graphitic fibers by macromolecular coalescence // Sci. Adv. 2022. V. 8. № 16. https://doi.org/10.1126/sciadv.abn0939
  3. Zhan H., Lin J.H., Shi H.L., Wang J.N. Construction of carbon nanotubes/bismaleimide composite films with superior tensile strength and toughness // Compos. Sci. Technol. 2021. V. 214. P. 108975. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108975
  4. Hennequin T., Manghi M., Noury A., Henn F., Jourdain V., Palmeri J. Influence of the quantum capacitance on electrolyte conductivity through carbon nanotubes // J. Phys. Chem. Lett. 2024. V. 15. № 8. P. 2177–2183. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c03248
  5. Wiśniewska M., Laptev A., Marczewski M. et al. Influence of carbon nanotubes on thermal and electrical conductivity of zirconia-based composite // Ceram. Int. 2023. V. 49. № 10. P. 15442–15450. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.01.129
  6. Oluwalowo A., Nguyen N., Zhang S., Park J.G., Liang R. Electrical and thermal conductivity improvement of carbon nanotube and silver composites // Carbon. 2019. V. 146. P. 224–231. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.01.073
  7. Jia Q., Zhou Y. et al. Differential multi-probe thermal transport measurements of multi-walled carbon nanotubes grown by chemical vapor deposition // Int. J. Heat Mass Transfer. 2023. V. 216. P. 124535. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124535
  8. Jie W., Duan X., Gong L., Nie S. Interfacial and filler size effects on mechanical/thermal/electrical properties of CNTs-reinforced nanocomposites // Polymers. 2024. V. 16. № 6. P. 808. https://doi.org/10.3390/polym16060808
  9. Wang X., Wang D., Ma S. et al. Enhanced toughness of boron carbide by single-wall carbon nanotube bundles // Mater. Today Commun. 2023. V. 35. P. 105651. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105651
  10. Ushakov I.V., Safronov I.S. Directed changing properties of amorphous and nanostructured metal alloys with help of nanosecond laser impulses // CIS Iron and Steel Review. 2021. № 2. P. 77–81. https://doi.org/10.17580/cisisr.2021.02.14
  11. Ushakov I.V., Safronov I.S., Oshorov A.D., Zhiqiang W., Muromtsev D.Y. Physics of the effect of high-temperature pulse heating on defects in the surface layer of a metal alloy // Metallurgist. 2023. V. 67. P. 986–994. https://doi.org/10.1007/s11015-023-01588-z
  12. Moumen A., Tarfaoui M., Nachtane M., Lafdi K. Carbon nanotubes as a player to improve mechanical shock wave absorption // Compos. B Eng. 2019. V. 164. P. 67–71. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.11.072
  13. Qiao J., Ushakov I.V., Safronov I.S. et al. Physical mechanism of nanocrystalline composite deformation responsible for fracture plastic nature at cryogenic temperatures // Nanomaterials. 2024. V. 14. № 8. P. 723. https://doi.org/10.3390/nano14080723
  14. Wang Z., Ushakov I.V., Safronov I.S., Zuo J. Physical mechanism of selective healing of nanopores in condensed matter under the influence of laser irradiation and plasma // Nanomaterials. 2024. V. 14. № 2. P. 139. https://doi.org/10.3390/nano14020139
  15. Safronov I.S., Ushakov I.V. Targeted alternation in properties of solid amorphous-nanocrystalline material in exposing to nanosecond laser radiation // DDF. 2021. V. 410. P. 469–474. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.410.469
  16. Tang J., Qin L.-C., Sasaki T., Yudasaka M., Matsushita A., Iijima S. Compressibility and polygonization of single-walled carbon nanotubes under hydrostatic pressure // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. P. 1887–1889. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.1887
  17. Ilgamov M.A., Aitbaeva A.A., Pavlov I.S., Dmitriev S.V. Carbon nanotube under pulsed pressure // FU Mech. Eng. 2024. V. 22. № 2. P. 275–292. https://doi.org/10.22190/FUME230820049I
  18. Karmakar S., Sharma S.M., Teredesai P.V., Muthu D.V.S., Govindaraj A., Sikka S.K., Sood A.K. Structural changes in single-walled carbon nanotubes under non-hydrostatic pressures: X-ray and Raman studies // New J. Phys. 2003. V. 5. P. 143. https://doi.org/10.1088/1367-2630/5/1/143
  19. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Demin A.I., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Studying the properties of metamaterials with a negative Poisson’s ratio when punched by a rigid impactor // Mech. Solids. 2023. V. 58. P. 1536–1544. https://doi.org/10.3103/S0025654423600897
  20. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Kuznetsov V. A., Solovyov N.G., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Experimental investigation of the properties of auxetic and non-auxetic metamaterials made of metal during penetration of rigid strikers // Mech. Solids. 2023. V. 58. P. 524–528. https://doi.org/10.3103/S0025654422601616
  21. Lisovenko D.S., Baimova J.A., Rysaeva L.K., Gorodtsov V.A., Rudskoy A.I., Dmitriev S.V. Equilibrium diamond-like carbon nanostructures with cubic anisotropy: Elastic properties // Phys. Status Solidi (B) Basic Res. 2016. V. 253. № 7. P. 1295–1302. https://doi.org/10.1002/pssb.201600049
  22. Lee J.-H., Loya P., Lou J., Thomas E. Dynamic mechanical behavior of multilayer graphene via supersonic projectile penetration // Science. 2014. V. 346. № 6213. P. 1092–1096. https://doi.org/10.1126/science.1258544
  23. Lin Y., Liyong T. Suspended monolayer graphene traps high-speed single-walled carbon nanotube // Carbon. 2016. V. 107. P. 689–695. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.06.041
  24. Shepelev I.A., Chetverikov A.P., Dmitriev S.V., Korznikova E.A. Shock waves in graphene and boron nitride // Comput. Mater. Sci. 2020. V. 177. P. 109549. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109549
  25. Rysaeva L.K., Korznikova E.A., Murzaev R.T. et al. Elastic damper based on the carbon nanotube bundle // FU Mech. Eng. 2020. V. 18. № 1. P. 1–12. https://doi.org/10.22190/FUME200128011R
  26. Korznikova E.A., Rysaeva L.K., Savin A.V., et al. Chain model for carbon nanotube bundle under plane strain conditions // Materials. 2019. V. 12. № 23. P. 3951. https://doi.org/10.3390/ma12233951
  27. Savin A.V., Korznikova E.A., Dmitriev S.V. Scroll configurations of carbon nanoribbons // Phys. Rev. B. 2015. V. 92. P. 035412. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.035412
  28. Савин А.В., Савина О.И. Упругие и пластические деформации многослойных упаковок углеродных нанотрубок на плоской подложке // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. 2022. Т. 161. № 1. С. 75–85. https://doi.org/10.31857/S0044451022010072
  29. Rysaeva L.K., Bachurin D.V., Murzaev R.T., et al. Evolution of the carbon nanotube bundle structure under biaxial and shear strains // FU Mech. Eng. 2020. V. 18. № 4. P. 525–536. https://doi.org/10.22190/FUME201005043R
  30. Савин А.В., Савина О.И. Динамика цепочек углеродных нанотрубок, расположенных на плоских подложках // Физика твердого тела. 2021. Вып. 1. С. 137. https://doi.org/10.21883/FTT.2021.01.50412.183
  31. Савин А.В., Корзникова Е.А., Дмитриев С.В. Моделирование складчатых и рулонных упаковок углеродных нанолент // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. № 11. С. 2278–2285.
  32. Savin A.V., Korznikova E.A., Dmitriev S.V. Dynamics of surface graphene ripplocations on a flat graphite substrate // Phys. Rev. B. 2019. V. 99. P. 235411. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.235411
  33. Dmitriev S.V., Morkina A.Y., Tarov D.V. et al. Effect of repetitive high-density current pulses on plastic deformation of copper wires under stepwise loading // Spec. Mech. Eng. Oper. Res. 2024. V. 1. № 1. P. 27–43. https://doi.org/10.31181/smeor1120243
  34. Liew K.M., Wong C.H., He X.Q., Tan M.J., Meguid S.A. Nanomechanics of single and multiwalled carbon nanotubes // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. № 11. P. 115429. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.115429
  35. Safaei B., Naseradinmousavi P., Rahmani A. Development of an accurate molecular mechanics model for buckling behavior of multi-walled carbon nanotubes under axial compression // J. Mol. Graph. Model. 2016. V. 65. P. 43–60. https://doi.org/10.1016/j.jmgm.2016.02.001
  36. Chang W., Liu F., Liu Y. et al. Smallest carbon nanowires made easy: Long linear carbon chains confined inside single-walled carbon nanotubes // Carbon. 2021. V. 183. P. 571–577. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.07.037

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Структура расчетного блока размером I×J×A2, где I, J ∈ Z – число УНТ в ячейке в направлении x и y, A – расстояние между центрами соседних УНТ, D – диаметр УНТ, d – расстояние между стенками соседних УНТ, a – расстояние между атомами C в сечении УНТ.

Скачать (425KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Равновесные структуры пучка УНТ при деформации (a) 1% и (b) 10%. Справа показана цветовая шкала, отражающая эллиптичность УНТ.

Скачать (746KB)
Метаданные
4. Рис. 3. (a) Зависимость эллиптичности e УНТ от деформации сжатия εyy; максимальное и минимальное значения показаны красной и синей кривыми соответственно; (b) относительный разброс эллиптичности УНТ в зависимости от деформации. Красными и синими точками показаны результаты расчетов, в которых получены метастабильные конфигурации пучка.

Скачать (305KB)
Метаданные
5. Рис. 4. (a) Характерные картины разориентации диаметров УНТ при малых деформациях 1, 4, 7 и 10%; красные и синие отрезки показывают максимальный и минимальный диаметры УНТ соответственно. Гистограммы распределения углов разориентации трубок для (b) – расслоившихся упаковок, (c) – упаковок с островковой разориентацией.

Скачать (579KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Эволюция структуры пучка УНТ в интервале деформации сжатия от 10 до 14.8%: (a) 10.0%, (b) 14.0%, (c) 14.75% и (d) 14.8%. Смещения показаны отрезками, длина и направление которых иллюстрируют, как изменилось положение атома и центров масс УНТ в пучке. При деформации порядка 10% на рисунке красным и синим цветом выделены два блока УНТ с различным направлением смещения их центров масс. На (e) показано изменение геометрии пучка УНТ.

Скачать (808KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Картины распределения эллиптичности и потенциальной энергии в пучке УНТ, полученные при деформациях: (a) 14%, (b) 15%, (c) 20%, (d) 22%, (e) 24–24.8%, (f) 25%, (g) 30%, (h) 35%, (i) 40%. Справа показаны шкалы, иллюстрирующие относительную потенциальную энергию каждой УНТ. Синий цвет соответствует максимальной энергии, красный – минимальной.

Скачать (1MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость удельной потенциальной энергии Ea=E/n пучка УНТ от относительной деформации пучка. Синяя кривая показывает зависимость суммарной удельной энергии пучка, пурпурная – вклад парных ван-дер-ваальсовых взаимодействий атомов, черная и зеленые кривые иллюстрируют вклад в энергию валентных связей и валентных углов соответственно. Вертикальные пунктирные линии показывают деформации, при которых в структуре пучка проявляются качественные изменения (точки бифуркации).

Скачать (201KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025