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Jun 23, 2023

Drei

Wissenschaftliche Berichte Band 6,

Scientific Reports Band 6, Artikelnummer: 18930 (2016) Diesen Artikel zitieren

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Der effiziente Zusammenbau von zellulären Feststoffen auf Kohlenstoffnanoröhrenbasis (CNT) mit geeigneter Struktur ist der Schlüssel, um das Potenzial einzelner Nanoröhren in der makroskopischen Architektur voll auszuschöpfen. In dieser Arbeit wurde der makroskopische CNT-Schwamm, der aus zufällig miteinander verbundenen einzelnen Kohlenstoffnanoröhren besteht, durch CVD gezüchtet und zeigte eine Kombination aus Superelastizität, hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, Ermüdungsbeständigkeit, thermomechanischer Stabilität und elektromechanischer Stabilität. Um diese außergewöhnliche mechanische Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Zellmaterialien und anderen nanostrukturierten Zellarchitekturen genau zu verstehen, wird auf der Grundlage der klassischen elastischen Theorie eine gründliche Untersuchung der Reaktion dieser CNT-basierten schwammigen Struktur auf Kompression durchgeführt. Es wird die starke Bindung zwischen benachbarten Nanoröhren untersucht, von der angenommen wird, dass sie eine entscheidende Rolle bei der reversiblen Verformung wie Biegen und Knicken spielt, ohne dass die Struktur unter Druck zusammenbricht. Basierend auf In-situ-Rasterelektronenmikroskopie-Beobachtungen und Nanoröhren-Verformungsanalysen wird die strukturelle Entwicklung (vollständig elastischer Biege-Knick-Übergang) der Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Schwämme bis hin zur Verformung vorgeschlagen, um ihre mechanischen Eigenschaften und ihr nichtlineares elektromechanisches Kopplungsverhalten zu klären.

Künstliche Zellmaterialien mit poröser Struktur, geringer Dichte, großer spezifischer Fläche und hoher Dämpfungskapazität werden zunehmend für Isolierungs-, Polster-, Auftriebs-, Filter-, Katalysatorunterstützungs-, Schallabsorptions- und Gewebegerüstanwendungen entwickelt1,2,3,4. Am bekanntesten sind die Polymerschäume, die in allem verwendet werden, von Ohrstöpseln bis hin zu Crashpads im Flugzeugcockpit. Viele Anwendungen erfordern, dass die Materialien mechanische Stabilität aufweisen, einschließlich Elastizität, Tragfähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und thermomechanische Stabilität, während die Stabilitätsleistung von Polymerschäumen durch ihr temperatur- und zeitabhängiges viskoelastisches Verhalten wie Kriechen und Spannungsrelaxation begrenzt wird5 ,6. Auch wenn in den letzten Jahrzehnten eine breite Palette von Materialien entwickelt wurde, um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, bleibt es eine große Herausforderung, zelluläre Feststoffe mit höchster mechanischer Stabilität zu entwerfen und herzustellen. Jüngste Arbeiten haben das Potenzial der Entwicklung makroskopischer dreidimensionaler (3D) Architekturen aus nanoskaligen Bausteinen für Energieabsorption, Dämpfung und flexible elektronische Geräte hervorgehoben7,8,9,10,11,12,13. Darüber hinaus würden die Multifunktionalitäten der Nanofüllstoffbestandteile auch das Spektrum der künstlich hergestellten zellulären Feststoffe und ihre Anwendungsvielfalt erweitern14,15,16,17.

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind eine große Auswahl an nanoskaligen Bausteinen in verschiedenen Dimensionalitäten und aufgrund ihrer faszinierenden Eigenschaften wie spezifischer Faserstruktur, hervorragender Zugfestigkeit, ausgezeichneter thermischer Stabilität, geringer Dichte, elektrischer Leitfähigkeit und besonders hoher Festigkeit äußerst attraktiv -Elastizität18,19,20,21. Tatsächlich haben schwammartige Feststoffe auf CNT-Basis Multifunktionalität, gute Kompressibilität und tatsächlich ein ultraleichtes Gewicht gezeigt, wohingegen die supermechanische Stabilität weit von den theoretischen Erwartungen entfernt ist. Ausgerichtete CNT-Arrays haben eine bemerkenswerte mechanische Belastbarkeit gezeigt, indem sie die Elastizität einzelner CNTs unter Druck nutzen, wohingegen die verschlungenen benachbarten Nanoröhren innerhalb des ausgerichteten Waldes zu einem offensichtlichen Spannungsabfall während der Druckzyklen führen würden7,8,22. Kürzlich haben CNT-basierte zelluläre Feststoffe wie Aerogele und Schäume eine wabenartige Morphologie mit Zelldimensionen von mehreren zehn Mikrometern gezeigt und eine ultraniedrige Dichte erreicht, die so leicht wie Luft ist23,24. Dennoch konnten in diesen Zellwänden mit einer Dicke von mehreren zehn Nanometern die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften einzelner Kohlenstoffnanoröhren unter Druck nicht effektiv genutzt werden. Sobald der inelastische Kollaps auftritt, würde die schwache Verbindung zwischen benachbarten Zellwänden zu einer schlechten mechanischen Stabilität und Erholungsleistung bei Verformung mit großer Dehnung führen24. Darüber hinaus ist das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte in diesen 3D-Architekturen aufgrund ihrer Zellabmessungen im Mikrometerbereich relativ gering. Daher ist der effiziente Zusammenbau von CNT-basierten zellulären Feststoffen mit geeigneter Struktur der Schlüssel, um das Potenzial einzelner Nanoröhren in der makroskopischen Architektur voll auszuschöpfen und hervorragende mechanische Eigenschaften und Stabilität zu erreichen. Ein hierarchisches Netzwerk wie ein 3D-Fachwerk, das sich als äußerst vorteilhaft für die Maximierung des massenspezifischen Elastizitätsmoduls und der mechanischen Stabilität erwiesen hat, wird häufig in technischen Konstruktionen und bei der strukturellen Gestaltung von Materialien eingesetzt. In unserer vorherigen Arbeit wurde eine ähnliche fachwerkartige Struktur in makroskopischen monolithischen Kohlenstoffnanoröhrenschwämmen durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erreicht, bei der einzelne Nanoröhren zufällig zu 3D-Skeletten verbunden sind 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31. Während frühere Arbeiten die multifunktionalen Eigenschaften solcher CNT-Schwämme gezeigt haben, wurden noch keine umfassenden Studien zu ihrem kollektiven mechanischen Verhalten veröffentlicht. Ein gründliches Verständnis der mechanischen Reaktion dieser CNT-basierten Struktur auf Verformung wird Einblicke in ihre Lebensdauer geben und weitere Erkenntnisse über den strukturellen Entwurf von 3D-Architekturen auf Basis von Nanokohlenstoffmaterial liefern.

In der vorliegenden Arbeit führten wir eine systematische Struktur-Eigenschaftsstudie an makroskopischen Schwämmen aus zufällig verbundenen Kohlenstoffnanoröhren durch, die mittels CVD gezüchtet wurden. Die Charakterisierung durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zeigte, dass die starke Bindung zwischen benachbarten Nanoröhren (Übergängen) in CNT-Schwämmen eine reversible Verformung ohne strukturellen Zusammenbruch unter Druck gewährleistet. Systematische mechanische Tests zeigten, dass die resultierenden CNT-Schwämme eine Kombination aus Superelastizität, Ermüdungsbeständigkeit, thermomechanischer Stabilität und elektromechanischer Stabilität aufweisen könnten, die bei herkömmlichem Polymerschaum nicht beobachtet werden kann. Basierend auf In-situ-Rasterelektronenmikroskopie-Beobachtungen (SEM) und Nanoröhren-Deformationsanalysen wurde ein theoretisches mechanisches Modell auf der Grundlage der elastischen Theorie vorgeschlagen, um das Kompressionsverhalten von schwammigen CNTs gründlich zu beschreiben, und stimmte gut mit experimentellen Ergebnissen überein. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene detaillierte strukturmechanische Analyse auf mikroskopischer Ebene ist nicht nur hilfreich, um den Ursprung der mechanischen Verformung von 3D-Kohlenstoffmaterialien zu klären, sondern auch eine Grundlage für den strukturellen Entwurf und die Optimierung von auf nanostrukturierten Materialien basierenden 3D-Architekturen zu entwickeln.

CNT-Schwämme, schwammartige 3D-Festkörper, die durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) synthetisiert werden, wurden in jüngsten Veröffentlichungen beschrieben und haben sich als vielversprechend für Umweltanwendungen, intelligente Materialien und Nanokomposite erwiesen25,26,27,28,29,30,31 . Alle Proben wurden vor der weiteren Charakterisierung mechanisch vorbehandelt, um das „Vorkonditionierungsverhalten“ zu eliminieren8. Die Probe kann dramatisch komprimiert werden, ohne Schaden zu nehmen, und kehrt nach dem Loslassen in die ursprüngliche Position zurück. Frühere Arbeiten haben darauf hingewiesen, dass die Dicke, Dichte und Porosität der makroskaligen CNT-Schwämme mit nanoskaligen Poren direkt durch die Wachstumszeit und die Quelleninjektionsrate gesteuert werden könnten25. Die Schüttdichte der Proben in dieser Arbeit wurde mit ~15 mg/cm3 gemessen (im Vergleich zu Kohlenstoffaerogel niedriger Dichte von mehr als 4 mg/cm3)23.

Abbildung 1 zeigt die typische hierarchische fachwerkartige Mikrostruktur des synthetisierten 3D-CNT-Schwamms. Darunter sind die einzelnen Nanoröhren mit Durchmessern im Bereich von 30–40 nm zufällig ausgerichtet. Im Allgemeinen ist die Schaffung von Verbindungen zwischen benachbarten CNTs einer der wichtigsten Schritte, die für die erfolgreiche Synthese CNT-basierter 3D-makroskopischer Architekturen mit überlegenen Materialeigenschaften erforderlich sind12,32,33,34. Die Verbindungsstabilität zwischen benachbarten CNTs beeinflusst hauptsächlich die Druckstabilität ihrer zusammengesetzten makroskopischen Schwämme. In jüngster Zeit gab es einige Versuche, solche kovalent miteinander verbundenen Nanoröhrenbausteine ​​mithilfe von Bordotierung34, Graphenbeschichtung9 und chemischer Vernetzung12,33 aufzubauen. In unserem Fall könnte die Bildung einer Verbindung zwischen zwei benachbarten CNTs das Ergebnis einer kontinuierlichen Energieminimierung während des Wachstumsprozesses sein35,36,37. TEM wird verwendet, um detailliertere morphologische Informationen über die CNT-Übergänge in unseren Materialien zu erhalten. Die erhaltenen Hellfeldbilder bestätigen weiterhin das Vorhandensein der in Abb. gezeigten CNT-Übergänge. Es wurde festgestellt, dass die Nanoröhrenwände an den Übergängen gekrümmt und wellig werden, was auf eine chemisch kovalente Verbindung (siehe Abb. 1a) oder die Ursache der amorphen Kohlenstoffaggregation zurückzuführen ist scharnierartige Verbindungen (siehe Abb. 1b) in unseren Schwämmen. Ihre repräsentativen schematischen Abbildungen sind in Abb. 1a dargestellt. CNTs mit komplexeren Verbindungen und dem Unterschied zwischen verbundenen und nicht verbundenen Nanoröhren in ihren physikalischen Eigenschaften wurden charakterisiert und in der ergänzenden Abbildung S1 dargestellt. So hielten in einem Schwamm starke Verbindungen die CNTs zusammen und sorgten dafür, dass sie sich zufällig überlappten, was zu einem isotropen Netzwerk aus dünnen elastischen Röhren führte, die ein dreidimensionales Fachwerk bildeten. Die starke Bindungskraft zwischen benachbarten Nanoröhren würde die reversible Verformung elastischer Röhren wie Biegen und Knicken gewährleisten, ohne dass die Struktur unter Druckbelastung zusammenbricht.

Hochauflösende REM- und TEM-Aufnahmen der Mikrostruktur von Kohlenstoffnanoröhrenschwämmen.

(a) REM-Bilder des 3D-fachwerkartigen Netzwerks. (b) TEM-Bilder mit hoher und niedriger Vergrößerung (Einschub) des X-Übergangs von CNTs mit einem repräsentativen schematischen Bild in 1a. Der rote Kreis hebt die gekrümmten Nanoröhrenwände hervor, die durch chemisch kovalente Verbindungen entstehen. (c) Scharnierartige Y- und X-Verbindungs-CNTs mit hoher (Einschub) und niedriger Vergrößerung mit einem repräsentativen schematischen Bild. Amorphe Kohlenstoffe um Nanoröhren herum sind mit roten Pfeilen markiert.

Ein gründliches Verständnis der mechanischen Reaktion CNT-basierter makroskopischer Schwämme auf Verformung wird Einblick in ihre Struktur-Eigenschafts-Beziehungen geben. Wir konzentrieren uns hauptsächlich auf ihre Leistung in Bezug auf mechanische Stabilität wie Ermüdungsbeständigkeit und langfristige Tragfähigkeit. Hier haben wir zunächst ihre Druckspannung als Funktion der Dehnung gemessen, wie in Abb. 2a dargestellt. Während des Belastungsprozesses erhaltene Kurven zeigen die drei charakteristischen Verformungsbereiche, die typischerweise in offenzelligen Schäumen und biozellulären Materialien beobachtet werden1. Ein linearer Bereich für eine Dehnung ≤ 20 % mit einem Elastizitätsmodul von ~ 0,025 MPa zeichnet die elastische Biegung von Nanoröhren auf, das elastische Knicken von Nanoröhren wird durch einen Plateaubereich mit allmählich zunehmender Steigung nach der Plateaudehnung (20 %) und einen Verdichtungsbereich für die Dehnung aufgezeichnet > 60 % bei steil ansteigender Belastung24. Während herkömmliche offenzellige Schäume bei moderaten Belastungen eine dauerhafte Verformung zeigten, weisen CNT-Schwämme eine faszinierende strukturelle Stabilität auf, mit einer nahezu vollständigen Erholung von großen Belastungen (90 %) unter einachsiger Belastung aufgrund der Elastizität einzelner Bausteine ​​und starker Verbindungen zwischen den Röhren. Im Einschub in Abb. 2a zeigen die Lade-Entlade-Zyklen bei verschiedenen eingestellten Dehnungen unserer Proben nahezu ähnliche lineare Belastungsbereiche, was auf eine vernachlässigbare Verschlechterung der mechanischen Festigkeit hinweist. Im Vergleich dazu wurden Polyurethan-Schwämme (PU) als unser Maßstab hinsichtlich der mechanischen Stabilität ausgewählt, da es sich um das häufigste Material mit wünschenswerten physikalischen Eigenschaften handelt, das als kommerzielle Schwämme, medizinische Geräte und Biomaterialien verwendet wird38.

Druckmechanische Eigenschaften und Stabilitätscharakterisierungen.

(a) Belastungs- und Entlastungs-Druckspannungs-Dehnungs-Kurven von Nanoröhrenschwämmen bei verschiedenen eingestellten Dehnungen von 10, 20, 40, 60, 80 bzw. 90 %, was zeigt, dass die Fläche der Hystereseschleifen bei größerer Dehnung zunimmt. Einschub: gemessener Belastungsmodul (blau) und Entlastungsmodul (rot) in Bezug auf die maximale Belastung der Zyklen. (b) Gemessene Druckspannungsreaktion bei einer Dehnung von 60 % in Bezug auf die Anzahl der Zyklen. Die farbigen gefüllten und leeren Kreise sind die experimentellen Daten, eine schwarze Linie ist die am besten passende Linie für die Daten unter Verwendung der exponentiellen Zerfallsfunktion erster Ordnung. Einschub: Zyklischer Drucktest von CNT-Schwämmen bei 30–60 % Dehnung, 0,016 Hz, 400 °C, für den 10., 100. und 1.000. Zyklus. (c) Vergleich der Relaxationseigenschaften von CNT-Schwämmen und anderen Materialien. Beachten Sie, dass der Spannungsabbau anderer Materialien bei unterschiedlichen Dichten oder Belastungsrichtungen (Anisotropie) unterschiedlich ausfallen würde und wir den niedrigsten Wert (beste Leistung) als Entspannungswert gewählt haben. (d) Ermüdungsdehnungszeit für die CNT- und PU-Schwämme. Einschub: Schema der zyklischen Druckprüfung. Die Tests werden bei Raumtemperatur, einer Dehnungsamplitude von 5 % und einer Testfrequenz von 50 Hz für die CNT-Schwämme bei verschiedenen eingestellten Dehnungen von 10, 30, 50 und 60 % und einem PU von nur 50 % Dehnung durchgeführt.

Da die kompressive mechanische Stabilitätsleistung von Schwämmen oder zellulären Feststoffen im linearen Bereich und insbesondere im Plateaubereich für ihre technischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist1, charakterisieren wir ihr mechanisches Verhalten vor 60 % Dehnung (Verdichtungsdehnung) weiter. Mechanische Stabilitätstests der CNT-Schwämme wurden durch zyklische Kompression bei 0,016 Hz und 400 °C durchgeführt. Der Einschub in Abb. 2b zeigt das identische Spannungs-Dehnungs-Verhalten von CNT-Schwämmen nach 1000 Zyklen bei 60 % Dehnung mit geringem Spannungsabbau, was auf die hervorragende mechanische Stabilität der CNT-Schwämme bei hohen Temperaturen hinweist. Identische Stabilität wurde auch bei –100 ° und 35 ° C beobachtet, was durch ein ähnliches zyklisches Verhalten belegt wird (Ergänzende Abbildung S2). Dieses Phänomen zeigt eine hervorragende thermomechanische Stabilität unserer CNT-Schwämme in einem weiten Temperaturbereich: nicht nur mechanische Stabilität über viele Zyklen, sondern auch die temperaturinvarianten mechanischen Leistungen. Diese hervorragende Stabilität ist bei herkömmlichen PU-Schwämmen vergleichsweise nicht zu beobachten. Bei den PU-Materialien kommt es bei etwa 260 °C zur Zersetzung der Urethanbindung und bei etwa 400 °C zum Abbau des Polyolgerüsts39. Darüber hinaus wurde der PU-Schwamm brüchig und steif, sobald die Temperatur auf –100 °C sank, und während des Belastungsprozesses kam es zu bleibenden Verformungen. Dies liegt daran, dass die Bewegung von Polymerketten in Polymermaterialien ein thermisch aktivierter Prozess ist, wohingegen der Baustein unserer Materialien seine temperaturinvarianten mechanischen Eigenschaften behalten könnte14,40.

Anders als das elastische Verhalten einzelner Nanoröhren sind die Bewegungen der Polymerketten, wie z. B. Entwirrungen, Verschiebungen und Neuausrichtungen usw., viskoelastisch und das viskoelastische Verhalten wie Kriechen und Spannungsrelaxation würde sich nachteilig auf ihre Lebensdauer und Anwendungsbereiche auswirken. Abbildung 2b zeigt die bei einem Dehnungsgrad von 60 % gemessenen Spannungsreaktionen als Funktion der Zyklenzahl für CNT- und PU-Schwämme (Ergänzende Abbildung S2). Bei PU-Schwämmen kann ein scheinbares Spannungsrelaxationsverhalten beobachtet werden: Die Stressreaktion nahm allmählich ab, wurde stationär und erreichte einen konstanten Wert. Im Allgemeinen würde das Relaxationsverhalten die Langzeitbeständigkeit von Schwammmaterialien erheblich beeinflussen. Nach 1000 Druckzyklen kommt es bei PU-Schwämmen bei 35 °C zu einem Spannungsabbau von 17 %. Im Vergleich dazu zeigten CNT-Schwämme eine hervorragende Elastizität und Spannungsrelaxationsbeständigkeit, da der Abbau bei –100, 35 und 400 °C nur 5 %, 2 % bzw. 3 % beträgt, was ihre temperaturinvariante mechanische Stabilitätsleistung unterstreicht.

Abbildung 2c zeigt einen Vergleich der Relaxationseigenschaften von CNT-Schwämmen und anderen kürzlich berichteten 3D-Schwammmaterialien, einschließlich Metallschäumen41, CNT-Arrays7,8, kohlenstoffhaltigen Aerogelen10, CNT-Aerogelen34, Graphenschäumen und Aerogelen15,42,43,44, Graphen und CNT/Graphen-Hybridaerogele24 unter zyklischer Belastung. Tatsächlich lassen sich die CNT-Schwämme gut mit allen anderen schwammartigen Feststoffen in Abb. 2c7,8,10,15,24,34,41,42,43,44,45 vergleichen. Es ist zu beachten, dass nicht alle zellulären Feststoffe auf CNT-Basis aufgrund ihrer elastischen Bausteine ​​unbedingt Superelastizität aufweisen. Beachten Sie, dass sich das Wort „Superelastizität“, das im Bereich der mechanischen Charakterisierung nanomaterialbasierter Baugruppen verwendet wird, im Allgemeinen wörtlich auf die starke Rückgewinnungsfähigkeit von Materialien bezieht, insbesondere bei großen Verformungen. Wir führen die herausragende Belastbarkeit auf drei wesentliche Vorteile unserer Schwämme zurück: 1) Im Vergleich zu anderen Metallen, Polymeren und sogar Graphen-Bausteinen sind die Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Bausteine ​​in unseren Materialien superelastisch und ermöglichen eine vollständige Erholung nach großer Verformung ohne Plastizität. Schäden und Ermüdung18. 2) Die nanoskalige hierarchische Mikrostruktur unserer Materialien führt zu einem isotropen 3D-fachwerkartigen Netzwerk, das aus einzelnen elastischen Nanoröhrchen besteht und eine unabhängige Verformung jedes Nanoröhrchens ohne Verschränkung ermöglicht, was typischerweise bei CNT-Arrays aufgrund der kompressiven mechanischen Instabilität der ausgerichteten Waldstruktur beobachtet wird7. Darüber hinaus würde jedes Nanoröhrchen eine Biege- oder Knickverformung bewirken und die Kraft unter Kompression der Mikrostruktur übertragen, sodass echte mechanische Elastizität und Festigkeit der einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Massenschwämmen effektiv realisiert würden. Beispielsweise könnte der Elastizitätsmodul bei einer Dichte von ~5 mg/cm3 bis zu ~40 kPa25 betragen, viel höher als der von PU-Schwämmen (3,7 kPa), Graphenschäumen (<20 kPa)42 und CNT-Aerogelen ( 1,2–10 kPa, Anisotropie)23. 3) Die starke Verbindung zwischen den Röhren auf molekularer Ebene umfasst chemisch kovalente Verbindungen und durch die amorphe Kohlenstoffaggregation verursachte scharnierartige Verbindungen, die eine große und reversible Verformung der Nanoröhren zwischen Verbindungen unter größerer Verformungskompression ohne strukturellen Zusammenbruch gewährleisten. Darüber hinaus wurden zyklische Drucktests mit Dehnungsamplitude (5 %) bei 50 Hz eingesetzt, um die Ermüdungsleistung von CNT- und PU-Schwämmen bei verschiedenen angelegten Dehnungsniveaus für mindestens 1,8 × 106 Zyklen zu bewerten (Abb. 2d). Bei PU-Materialien wurde nach 10.000 Zyklen bei Solldehnungen von 50 % eine Ermüdungsdehnung (Schrumpfung gegenüber der ursprünglichen Länge) von etwa 7 % beobachtet, und es gibt keine erkennbare Obergrenze für dieses Ermüdungsverhalten, die als Ermüdungsversagen oder -abbau angesehen werden könnte. Beachten Sie jedoch, dass die Ermüdungsleistung von CNT-Schwämmen bemerkenswert stabil ist und in der ergänzenden Abbildung S3 nach Millionen von Zyklen nur eine Ermüdungsschrumpfung von 0,35 % gemessen werden konnte, was ihre strukturelle Robustheit und Ermüdungsbeständigkeit hervorhebt. Hier ist die Ermüdungsschrumpfung von CNT-Schwämmen anders als bei herkömmlichen offenzelligen Materialien. Die leichte Ermüdung könnte das Ergebnis einer vernachlässigbaren strukturellen Neuausrichtung des kollektiven Nanoröhren-Schwämmsystems sein und nicht das Ergebnis eines Bruchs oder Versagens einzelner Nanoröhren. Unter der Annahme, dass eine Dehnungsschrumpfung um 10 % ein Zeichen für Ermüdungsversagen ist, könnte die Lebensdauer unserer CNT-Schwämme auf mehr als 108 bei 60 % Dehnung geschätzt werden, im krassen Gegensatz zu der von PU-Proben (104 bei 50 % Dehnung). mit denen des menschlichen Skelettmuskels vergleichbar sein (109), was ihre potenzielle Verwendung in Bereichen synthetischer Biomaterialien zeigt8,46.

Um einen Einblick in den Mechanismus der mechanischen Stabilität zu erhalten und die Analyse der Struktureigenschaften als Leitfaden für das Design von Zellmaterialien auf Nanokohlenstoffbasis weiterzuentwickeln, haben wir die mechanischen Eigenschaften der CNT-Schwämme charakterisiert, indem wir die strukturelle Entwicklung des 3D-fachwerkartigen Netzwerks bestimmt haben unter Druckbelastung mittels In-situ-REM-Bildgebung normal zur Lastrichtung (Abb. 3a, weitere Einzelheiten in der ergänzenden Abbildung S4). Das Vergrößern einer einzelnen Elementarzelle des Fachwerks zeigt, dass die Nanoröhren mit einer kleinen anfänglichen Krümmung die Zellstruktur aufgebaut haben. Unter Kompression werden die Biegung von CNTs mit horizontaler Anordnung und die Knickung von CNTs mit vertikaler Anordnung in der Zelle nacheinander aktiviert, was zu einer strukturellen Entwicklung und einer teilweisen Ausrichtung der CNTs senkrecht zur Kompressionsrichtung führt. Ab einer Druckspannung von 20 % dominiert allmählich die Knickverformung die Entwicklung der CNT-Zelle, horizontal angeordnete CNTs hören auf, sich zu biegen, und in Abb. 3a ist bei 60 % Dehnung eine stark ausgerichtete Struktur dargestellt. Dieser interessante Strukturentwicklungsprozess wird auch durch die Berechnung des Orientierungsfaktors (OF) (Abb. 2d) aus der schnellen Fourier-Transformation (FFT) von REM-Bildern in den Einschüben von Abb. 2b demonstriert. Beachten Sie, dass OF = 0,5 bedeutet, dass die Nanoröhren zufällig ausgerichtet sind und 1 perfekt ausgerichtet ist. Bis zu einer Dehnung von 20 % verformten sich die zufällig ausgerichteten CNTs strukturell zu ausgerichteten CNTs senkrecht zur Kompressionsrichtung und der OF stieg stetig von 0,64 auf 0,72 an. Bei mehr als 20 % Dehnung erreichte der OF ein Plateau, was auf eine geringe Zunahme der Ausrichtung hinweist, die durch das Einfrieren der Bewegung von CNTs mit horizontaler Anordnung verursacht wird. Mittlerweile nimmt die Krümmung von CNTs mit vertikaler Anordnung im Vergleich zur ursprünglichen Morphologie ohne jegliche Spannung deutlich zu (weitere Einzelheiten finden Sie in der ergänzenden Abbildung S4).

Mikrostrukturelle Entwicklung von Kohlenstoffnanoröhrenschwämmen unter Druck.

(a) REM-Aufnahme senkrecht zur Kompressionsrichtung, die eine isotrope Ausrichtung der Mikrostruktur innerhalb der Schwämme bei 0 % Dehnung und eine zunehmende Ausrichtung mit zunehmender Dehnung zeigt. (b) Orientierungsfaktor (OF) als Funktion der Druckspannung. Einschübe: 2D-FFT der REM-Bilder bei verschiedenen Druckspannungen.

Auf der Grundlage der SEM-Beobachtung der strukturellen Entwicklung von CNT-Schwämmen wurde das Elementarzellenmodell herausgenommen und in Abb. 4a dargestellt, in dem die Zelle aus vier schlanken Nanoröhrenstrahlen besteht. In unserem Modell ist δ die Druckverschiebung und kann ausgedrückt werden als: δ = δBiegung + δKnickung (Ergänzende Abbildung S5). Der erste Beitrag aufgrund der Biegung horizontal angeordneter Nanoröhren wird aus der linear-elastischen Auslenkung eines Nanoröhrenbalkens berechnet, der in seiner Mitte durch eine Last P belastet wird. Wenn zunächst eine einachsige Spannung auf den Schwamm ausgeübt wird, so dass jeder Zellknoten ( Die Verbindung zwischen den Röhren) überträgt die Kraft, die Nanoröhren selbst verbiegen sich und zeigen eine elastisch lineare Last-Verschiebungs-Beziehung (Abb. 4b, rote Linie). Unter erhöhter Dehnung erhöhte der zweite Beitrag aufgrund der nichtlinearen, aber immer noch elastischen Knickung vertikal angeordneter Nanoröhren allmählich seinen Anteil an der Gesamtdehnung (blaue Linie in Abb. 4b und ergänzende Abbildung S6), und schließlich trat die gesamte Spannungs-Dehnungs-Reaktion in den nichtlinearen Bereich ein. linearer Bereich47. Über eine kritische Dehnung hinaus, bei der Biege- und Knickdehnung gleichermaßen zur Gesamtdehnung beitrugen, kann eine vorübergehende Abnahme des Last-Dehnungs-Gefälles (Linear-Plateau-Bereichsübergang in der Spannungs-Dehnungs-Kurve) beobachtet werden, was auf die elastische Strukturentwicklung der Elementarzellenstruktur hinweist (Abb. 2b schwarze Linie). Unterdessen würde bei hoher Dehnung die Verdichtung der Nanoröhrenstruktur zu einer Erhöhung des Moduls führen. Das Strukturentwicklungsmodell stimmt mit den Druckspannungs-Dehnungs-Kurven von Nanoröhrenschwämmen in Abb. 2a und dem in REM-Bildern in Abb. 2c beobachteten Strukturentwicklungsprozess überein. Aufgrund der Elastizität und der starken Verbindung auf molekularer Ebene zwischen den Bausteinen ist die Plateaudehnung für CNT-Schwämme im Gegensatz zu der für Polymerschwämme und herkömmliche zelluläre Feststoffe eine Umwandlung von einem linearen, elastischen, von Biegung dominierten Modus zu einer nichtlinearen, immer noch elastischen Knickung -dominierter Modus ohne plastische Verformung oder Strukturkollaps. Darüber hinaus biegen und knicken die Kohlenstoffnanoröhren unserer Schwämme, anders als bei Aerogelen und Arrays, einzeln in einer 3D-fachwerkartigen Struktur ein und werden durch die starken Verbindungsverbindungen auf molekularer Ebene eingeschränkt, wodurch CNT-Schwämme mit hervorragenden strukturellen und mechanischen Eigenschaften stark komprimiert werden können Erholung.

Mikrostrukturelles Evolutionsmodell.

(a) Schematische Beschreibung des Elementarzellmodells des CNT-Schwamms und der Entwicklung der Zellstruktur mit Belastung. Einschübe: SEM-Bild einer fachwerkartigen Struktur bei 0 % Dehnung und schematisches Bild der Verbindung zwischen Rohren (Knoten). (b) Entwicklung der Gesamtspannung, Biegespannung und Knickspannung, während die Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Zelle einer zunehmenden Druckbelastung ausgesetzt ist. Die Gesamtdehnung beträgt 20 %, wenn die Knickdehnung die Biegedehnung zu übersteigen beginnt.

Darüber hinaus konnten wir die experimentellen Daten wie die Plateaudehnung unseres makroskopischen CNT-Schwamms vorhersagen, indem wir die kritische Dehnung (Biege-Knick-Übergangsdehnung) des mikrostrukturellen Evolutionsmodells abschätzten. Basierend auf den SEM- und TEM-Ergebnissen in Abb. 1 wurden der Außendurchmesser von CNT, der Innendurchmesser, die Länge der Elementarzelle und die anfängliche Krümmung der Nanoröhre w0/l auf 33 nm, 16 nm, 500 nm und 0,1 geschätzt. jeweils. Nach der Schätzung des Elastizitätsmoduls von CNT auf 1 TPa betrug die berechnete kritische Dehnung 20,3 % und stimmte gut mit dem Experiment überein, was weiter zeigt, dass ihre ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit auf den Strukturmerkmalen beruhte, die zu einem einzigartigen mikrostrukturellen Entwicklungsverhalten von CNT-Schwämmen führten. Basierend auf unserem Modell wirken sich außerdem der Abstand der Verbindungsstellen, die anfängliche Krümmung und die mechanischen Eigenschaften der Verbindungsstellen und Nanoröhren direkt auf den mikrostrukturellen Evolutionsprozess aus, und daher könnten zukünftige Arbeiten zur Änderung der Mikrostruktur, der mikrostrukturellen Eigenschaften und damit auch seiner Eigenschaften des CNT-Schwamms angeleitet werden Masseneigenschaften durch Dichtekontrolle25, chemische Modifikation34, Elektronenbestrahlung48 und Graphenbeschichtung usw.9. In der Zwischenzeit könnte unser umfassendes Verständnis der mechanischen Reaktion der fachwerkartigen Strukturen unserer CNT-Schwämme auf Verformung auch eine Grundlage für mögliche Anwendungen entwickeln.

Die superelastischen Kohlenstoffnanoröhren bilden CNT-Schwämme nicht nur mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, sondern auch mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und bieten somit ein großes Potenzial für Anwendungen in flexiblen und komprimierbaren Leitern und Sensoren6. Zusätzlich zur Überwachung der Stabilitätsleistung unter zyklischer Kompression haben wir hier auch die Dehnungsabhängigkeit des elektrischen Widerstands (elektromechanische Stabilität) der Nanoröhrenschwämme gemessen, um deren Machbarkeit und Gültigkeit als intelligente Sensoren zu validieren. Wie in Abb. 5a dargestellt, nimmt der normalisierte elektrische Widerstand (ΔR/R0) mit einer Erhöhung der Dehnung auf ~20 % dramatisch ab und zeigt dann eine nahezu lineare Beziehung. Der Gauge-Faktor (Verhältnis des normalisierten elektrischen Widerstands zu seiner Verformung) würde bei niedriger Dehnung etwa 3 betragen und damit höher sein als der von Graphenschaum (~1,3), über den wir in unserer vorherigen Arbeit15 berichtet haben. Darüber hinaus zeigt der zyklische Belastungstest mit zunehmender Frequenz (Abb. 5a Einschub) aufgrund der Superelastizität schwammiger Nanoröhren konstante elektromechanische Eigenschaften (Widerstand bei 60 % und 5 % Dehnung). Dies deutet darauf hin, dass Nanoröhrenarchitekturen die unterschiedlichen Belastungsfrequenzen elektromechanischer Geräte ohne elektrische Signalverzerrung überstehen könnten. Daher deutet diese Kombination aus fachwerkartiger Mikrostruktur, ausgezeichneter Stabilität und elektromechanischer Stabilität darauf hin, dass solche konstruierten Nanoröhrenarchitekturen ohne Schaden in intelligenten Strukturen verwendet werden könnten. Hier stellen wir eine einfache Anwendung vor, um das Potenzial der CNT-Schwämme für den Einsatz bei der Echtzeiterkennung menschlicher Bewegungen zu demonstrieren. Die CNT-Schwämmeprobe wurde um einen Gummihandschuh befestigt, um die Biegebewegungen der Finger zu erfassen. Wenn die Finger des Demonstrators nach und nach gefaltet wurden, wurde Druck auf die Schwämme ausgeübt und verursachte eine Druckverformung und damit eine Verringerung des Widerstands der Schwämme (Abb. 5b), was die Erkennung der gefalteten Amplitude der Finger ermöglichte. Aufgrund ihrer oben erwähnten elektromechanischen Leistung konnte der Widerstand der Schwämme auf das Ausgangsniveau zurückkehren, sobald die Finger vollständig entfaltet waren. Abgesehen von der Verfolgung der Amplitude der Fingerbewegung konnte insbesondere auch die Frequenz gleichzeitig leicht erfasst werden, wie in der Echtzeitkurve für die zyklischen Falt- und Entfaltungsbewegungen mit zunehmender Frequenz in Abb. 5b gezeigt. Daher könnte der Einsatz solcher Schwammsensoren sowohl bei alltäglichen als auch bei technischen Aktivitäten wie Gesundheitsüberwachung und Fernsteuerung von Nutzen sein.

Elektromechanische Stabilität von CNT-Schwämmen.

(a) Relative Änderung des Widerstands gegenüber der Dehnung. Der an Schwämmen gemessene spezifische Widerstand änderte sich bei einer Dehnungsamplitude von 60 % um etwa 60 %, und die Beziehung zwischen spezifischem Widerstand und Dehnung wurde nahezu linear und zeigte keine erkennbare Obergrenze für die Widerstandsänderungen. Einschub: Im Dehnungsbereich von 5–60 % entspricht die elektrische Reaktion einer zyklischen Belastung mit zunehmender Frequenz. (b) Demonstrationen der Verwendung der Schwämme zur Erkennung menschlicher Bewegungen. Oben: entsprechende Widerstandsreaktionen auf Fingerbewegungen in den Einsätzen (Foto des Fingers während der Falt- und Entfaltungsbewegung). Unten: Echtzeitverfolgung der zyklischen Fingerbewegung über CNT-Schwämme.

Die komplexe Struktur der makroskopischen Anordnungen von Kohlenstoffnanoröhren führt zu einer äußerst interessanten piezoresistiven Leistung dieser neuen Art intelligenter Materialien. Hier präsentieren wir außerdem eine eingehende Untersuchung des piezoresistiven Effekts im Hinblick auf strukturelle Verformung. Die Tunnelleitungstheorie wurde verwendet, um die Widerstandsänderung in Materialien auf Nanokohlenstoffbasis bei niedrigen Druckspannungsniveaus zu erklären28, während sie nicht gut mit den nichtlinearen elektromechanischen Kopplungsergebnissen im großen Spannungsbereich übereinstimmt. Basierend auf dem bereits erwähnten mikrostrukturellen Evolutionsmodell wurde die Theorie gemäß den folgenden Überlegungen und Annahmen modifiziert, und die Anpassungsergebnisse stimmen recht gut mit den experimentellen Ergebnissen überein (Abb. 5, Detail in der ergänzenden Abbildung S6). 1) Dehnungsübertragungsfaktor: In makroskopischen Architekturen auf Nanokohlenstoffbasis kann die Dehnung des Kontaktabstands von der makroskopischen Druckspannung abweichen und daher sollte der Dehnungsübertragungsfaktor in die Theorie einbezogen werden. 2) Auf der Grundlage des mikrostrukturellen Evolutionsmodells: Über die Plateaudehnung hinaus würde die Knickverformung die Krümmung von CNTs mit vertikaler Anordnung verstärken und somit „neue“ unverbundene Verbindungen und Leitungspfade erhöhen, was zu einer zusätzlichen Widerstandsreduzierung unter starker Dehnungskompression führen würde. Daher schlagen wir vor, dass die Verringerung des elektrischen Widerstands dadurch verursacht wird, dass die Verformung der Mikrostruktur den Kontaktabstand zwischen verbundenen Nanoröhren verringert und synergetisch neue, nicht verbundene Verbindungen schafft. Sobald die Belastung entfernt wird, kehrt die Mikrostruktur der CNT-Schwämme in ihre vorkomprimierte Konfiguration zurück, sodass sie wieder in ihre ursprüngliche Form und ihren ursprünglichen Widerstand zurückfedern können.

Die außergewöhnliche Flexibilität und Festigkeit einzelner Kohlenstoffnanoröhren wurde in den makroskopischen hierarchischen CNT-Schwämmen vollständig umgesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zellmaterialien weisen die CNT-Schwämme eindeutig hervorragende mechanische Eigenschaften und Stabilität auf: Superelastizität, hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, thermomechanische Stabilität in einem weiten Temperaturbereich, vernachlässigbare Spannungsrelaxation bei hoher Belastung, ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit nach mehr als 3,5 × 106 Zyklen und frequenzinvariante elektromechanische Stabilität unter mechanischer Kompression. Ein umfassendes Verständnis der mikrostrukturellen Merkmale (starke Verbindungen zwischen Nanoröhren) und der Entwicklung (vollständig elastischer Biege-Knick-Übergang) dieser CNT-basierten Struktur zur Verformung wurde vorgeschlagen, um ihre mechanischen Eigenschaften und ihr nichtlineares elektromechanisches Kopplungsverhalten zu klären. Unsere Arbeit würde als Leitfaden für das Design von Zellstrukturen auf Nanofüllstoffbasis dienen und eine Grundlage für potenzielle Anwendungen wie Dämpfer, Elektroden, elektromechanische Geräte, synthetische Biomaterialien und Nanokomposite entwickeln.

CNT-Schwämme wurden durch eine von uns zuvor beschriebene CVD-Methode synthetisiert25,26,27,28. Ferrocenpulver (Katalysatorvorläufer) wurden in 1,2-Dichlorbenzol gelöst, um eine Lösung mit einer Konzentration von 60 mg/ml herzustellen. In diesem Fall wurde Dichlorbenzol als neuartige Kohlenstoffquelle eingesetzt, um das ausgerichtete Wachstum der Nanoröhren zu stören. Dadurch wurden die Nanoröhren nacheinander in zufälliger Weise gestapelt, um eine miteinander verbundene 3D-fachwerkartige Struktur zu bilden. Die Lösung wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,13 ml/min in den mit einem Quarzrohr ausgestatteten CVD-Ofen gepumpt. Als Trägergas wurde ein Mischgasstrom aus Ar (2000 ml/min) und H2 (300 ml/min) verwendet. Die Wachstumstemperatur wurde auf 860 °C festgelegt und die Wachstumszeit betrug 4 Stunden, wenn der Schwamm eine Dicke von etwa 8 mm erreicht. Ein in der Mitte des Quarzes platziertes Stück Quarzglas diente als Substrat, auf dem sich CNT-Schwämme ablagerten.

Die Mikrostruktur und Morphologie der so hergestellten Schwämme wurden mittels REM (HITACHI S3400) charakterisiert. Um einen Einblick in die Struktur zwischen den Röhren zu erhalten, wurden TEM-Beobachtungen (FEI Tecnai G2 F20 U-TWIN) direkt an so vorbereiteten Proben durchgeführt. Dünne CNT-Blätter wurden sorgfältig von den CNT-Materialien getrennt und direkt zwischen zwei TEM-Gitter abgelegt, um ihre anfängliche Struktur zwischen den Röhren zu beobachten. Für die elektromechanischen Tests wurden die Ober- und Unterseite der CNT-Schwämme mit einer gleichmäßigen Schicht Silberpaste beschichtet und durch Silberdrähte verbunden. Während des Kompressionsvorgangs wurde gleichzeitig der elektrische Widerstand (Keithley 4200 SCS unter einer Vorspannung von 10 mA) aufgezeichnet.

Zur Bewertung der mechanischen Leistung dieser Schwämme wurde ein dynamisch-mechanischer Analysator (TA, DMA Q800) verwendet. Die Abmessungen der getesteten Proben betrugen etwa 0,6 cm × 0,6 cm × 0,4 cm für kubische CNT-Schwämme und 1,3 cm Durchmesser × 0,5 cm Höhe für PU-Schwammzylinder. Alle Proben wurden vor allen mechanischen Tests durch 100-malige 30- bis 60-prozentige Dehnungskompression vorbehandelt, um das bei CNT-basierten Baugruppen beobachtete „Vorkonditionierungsverhalten“ zu eliminieren8. Auf alle Proben wurde eine Anfangslast von etwa 0,05 N ausgeübt, um einen gleichmäßigen Kontakt zu gewährleisten. Die statischen Kompressionstests in Abb. 2a wurden im Dehnungsrampenmodus mit einer Rampenrate von 10 % pro Minute durchgeführt. Zur Bewertung des Ermüdungsverhaltens der CNT- und PU-Proben wurde eine zyklische dehnungskontrollierte Belastung verwendet. Die Testfrequenz in Abb. 3a, c betrug 0,016 Hz bzw. 50 Hz.

Zitierweise für diesen Artikel: Dai, Z. et al. Dreidimensionale Schwämme mit höchster mechanischer Stabilität: Nutzung der echten Elastizität einzelner Kohlenstoffnanoröhren in makroskopischen Architekturen. Wissenschaft. Rep. 6, 18930; doi: 10.1038/srep18930 (2016).

Gibson, LJ Das mechanische Verhalten von Spongiosa. J. Biomech. 18, 317–328 (1985).

CAS PubMed Google Scholar

Gibson, LJ & Ashby, MF Zelluläre Feststoffe: Struktur und Eigenschaften (Cambridge University Press, 1999).

Freyman, T., Yannas, I. & Gibson, L. Zellulare Materialien als poröse Gerüste für das Tissue Engineering. Prog. Mater. Wissenschaft. 46, 273–282 (2001).

CAS Google Scholar

Scheffler, M. & Colombo, P. Zellularkeramik: Struktur, Herstellung, Eigenschaften und Anwendungen (John Wiley & Sons, 2006).

Shaw, MT & MacKnight, WJ Einführung in die Viskoelastizität von Polymeren (John Wiley & Sons, 2005).

Dai, ZH et al. Kriechbeständiges Verhalten von schmelzgesponnenen MWCNT-Polycarbonat-Nanokompositfasern bei erhöhter Temperatur. Polymer 54, 3723–3729 (2013).

CAS Google Scholar

Cao, A., Dickrell, PL, Sawyer, WG, Ghasemi-Nejhad, MN & Ajayan, PM Superkomprimierbare schaumartige Kohlenstoff-Nanoröhrenfilme. Wissenschaft 310, 1307–1310 (2005).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Suhr, J. et al. Ermüdungsbeständigkeit ausgerichteter Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Arrays unter zyklischer Kompression. Nat. Nanotechnologie. 2, 417–421 (2007).

ADS CAS Google Scholar

Kim, KH, Oh, Y. & Islam, MF Die Graphenbeschichtung macht Kohlenstoffnanoröhren-Aerogele superelastisch und widerstandsfähig gegen Ermüdung. Nat. Nanotechnologie. 7, 562–566 (2012).

ADS CAS Google Scholar

Liang, HW et al. Makroskopische Template-Synthese robuster kohlenstoffhaltiger Nanofaser-Hydrogele und Aerogele und ihre Anwendungen. Angew. Chem. Inter. Ed. 51, 5101–5105 (2012).

CAS Google Scholar

Mecklenburg, M. et al. Aerographit: ultraleichtes, flexibles Nanowand-Kohlenstoff-Mikroröhrenmaterial mit hervorragender mechanischer Leistung. Adv. Mater. 24, 3486–3490 (2012).

CAS PubMed Google Scholar

Ozden, S. et al. 3D-makroporöse Feststoffe aus chemisch vernetzten Kohlenstoffnanoröhren. Klein 11, 688–693 (2014).

PubMed Google Scholar

Lin, Z. et al. In-situ-Schweißen von Kohlenstoffnanoröhren zu einem porösen Feststoff mit extrem hoher Druckfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Wissenschaft. Rep. 5, 11336 (2015).

ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Xu, M., Futaba, DN, Yamada, T., Yumura, M. & Hata, K. Kohlenstoffnanoröhren mit temperaturinvarianter Viskoelastizität von –196 bis 1000 °C. Science 330, 1364–1368 (2010).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Kuang, J. et al. Ein hierarchisch strukturierter Graphenschaum und sein Potenzial als großflächiger Dehnungsmessstreifensensor. Nanoscale 5, 12171–12177 (2013).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Wicklein, B. et al. Wärmeisolierende und feuerhemmende leichte anisotrope Schaumstoffe auf Basis von Nanozellulose und Graphenoxid. Nat. Nanotechnologie. 10, 277–283 (2014).

ADS Google Scholar

Kuang, J. et al. Synergistische Effekte von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren verleihen Schäumen mit geordneter hierarchischer Struktur eine Kombination aus Kompressibilität, Superelastizität und Stabilität und eine mögliche Anwendung als Drucksensoren. Nanoscale 7, 9252–9260 (2015).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Falvo, M. et al. Biegen und Knicken von Kohlenstoffnanoröhren unter großer Belastung. Nature 389, 582–584 (1997).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Baughman, RH, Zakhidov, AA & de Heer, WA Kohlenstoffnanoröhren – der Weg zu Anwendungen. Wissenschaft 297, 787–792 (2002).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Harrison, BS & Atala, A. Kohlenstoffnanoröhrenanwendungen für die Gewebezüchtung. Biomaterialien 28, 344–353 (2007).

CAS PubMed Google Scholar

Jorio, A., Dresselhaus, G. & Dresselhaus, MS Kohlenstoffnanoröhren: fortgeschrittene Themen in der Synthese, Struktur, Eigenschaften und Anwendungen. Bd. 111 (Springer, 2007).

McCarter, C. et al. Mechanische Nachgiebigkeit von fotolithografisch definiertem, vertikal ausgerichtetem Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Rasen. J. Mater. Wissenschaft. 41, 7872–7878 (2006).

ADS CAS Google Scholar

Zou, J. et al. Ultraleichtes mehrwandiges Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Aerogel. ACS Nano 4, 7293–7302 (2010).

CAS PubMed Google Scholar

Sun, H., Xu, Z. & Gao, C. Multifunktionale, ultrafliegengewichtige, synergistisch zusammengesetzte Kohlenstoffaerogele. Adv. Mater. 25, 2554–2560 (2013).

CAS PubMed Google Scholar

Gui, X. et al. Weiche, hochleitfähige Nanoröhrenschwämme und Verbundwerkstoffe mit kontrollierter Kompressibilität. ACS Nano 4, 2320–2326 (2010).

CAS PubMed Google Scholar

Gui, X. et al. Kohlenstoffnanoröhrenschwämme. Adv. Mater. 22, 617–621 (2010).

CAS PubMed Google Scholar

Gui, X. et al. Recycelbare Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Schwämme zur Ölabsorption. Acta Mater. 59, 4798–4804 (2011).

CAS Google Scholar

Gui, X. et al. Ein einfacher Weg zu isotropen leitfähigen Nanokompositen durch direkte Polymerinfiltration von Kohlenstoffnanoröhrenschwämmen. ACS Nano 5, 4276–4283 (2011).

CAS PubMed Google Scholar

Zeng, Z. et al. Kohlenstoffnanoröhren-Schwamm-Array-Tandem-Verbundwerkstoffe mit erweitertem Energieabsorptionsbereich. Adv. Mater. 25, 1185–1191 (2013).

CAS PubMed Google Scholar

Gui, X. et al. Dreidimensionale Schwamm-Array-Architekturen aus Kohlenstoffnanoröhren mit hoher Energiedissipation. Adv. Mater. 26, 1248–1253 (2014).

CAS PubMed Google Scholar

Peng, Q. et al. Graphen-Nanoband-Aerogele aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Schwämmen. Adv. Mater. 26, 3241–3247 (2014).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Romo-Herrera, J., Terrones, M., Terrones, H., Dag, S. & Meunier, V. Kovalente 2D- und 3D-Netzwerke aus 1D-Nanostrukturen: Entwicklung neuer Materialien. Nano Lett. 7, 570–576 (2007).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Leonard, AD et al. Nanotechnisch hergestellte Kohlenstoffgerüste zur Wasserstoffspeicherung. Marmelade. Chem. Soc. 131, 723–728 (2008).

Google Scholar

Hashim, DP et al. Kovalent gebundene dreidimensionale Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Feststoffe über borinduzierte Nanoübergänge. Wissenschaft. Rep. 2, 363 (2012).

PubMed PubMed Central Google Scholar

Terrones, M. et al. Molekulare Verbindungen durch Zusammenfügen einwandiger Kohlenstoffnanoröhren. Physik. Rev. Lett. 89, 075505 (2002).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Ma, W. et al. Hochfeste Verbundfasern: Das wahre Potenzial von Kohlenstoffnanoröhren in der Polymermatrix durch kontinuierliche Netzarchitektur und Kopplungen auf molekularer Ebene ausschöpfen. Nano Lett. 9, 2855–2861 (2009).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Torabi, H., Radhakrishnan, H. & Mesarovic, SD Mikromechanik der kollektiven Knickung in CNT-Rasen. J. Mech. Physik. Solids 72, 144–160 (2014).

ADS MathSciNet CAS Google Scholar

Gorna, K. & Gogolewski, S. Herstellung, Abbau und Verkalkung von biologisch abbaubaren Polyurethanschäumen für Knochentransplantatersatzstoffe. J. Biomed. Mater. Res. Teil A 67, 813–827 (2003).

Google Scholar

Guo, A., Javni, I. & Petrovic, Z. Harte Polyurethanschäume auf Basis von Sojaöl. J. Appl. Polym. Wissenschaft. 77, 467–473 (2000).

CAS Google Scholar

Xu, M., Futaba, DN, Yumura, M. & Hata, K. Kohlenstoffnanoröhren mit temperaturinvariantem Kriechen und Kriecherholung von −190 bis 970 °C. Adv. Mater. 23, 3686–3691 (2011).

CAS PubMed Google Scholar

Schaedler, T. et al. Ultraleichte metallische Mikrogitter. Wissenschaft 334, 962–965 (2011).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Qiu, L., Liu, JZ, Chang, SL, Wu, Y. & Li, D. Biomimetische superelastische Zellmonolithe auf Graphenbasis. Nat. Komm. 3, 1241 (2012).

ADS PubMed Google Scholar

Wu, C., Huang, X., Wu, X., Qian, R. & Jiang, P. Mechanisch flexible und multifunktionale Graphenschäume auf Polymerbasis für elastische Leiter und Öl-Wasser-Trenner. Adv. Mater. 25, 5658–5662 (2013).

CAS PubMed Google Scholar

Hu, H., Zhao, Z., Wan, W., Gogotsi, Y. & Qiu, J. Ultraleichte und hoch komprimierbare Graphen-Aerogele. Adv. Mater. 25, 2219–2223 (2013).

CAS PubMed Google Scholar

Wu, Y. et al. Dreidimensional gebundenes schwammiges Graphenmaterial mit extremer Druckelastizität und einer Poisson-Zahl nahe Null. Nat. Komm. 6, 6141 (2015).

ADS CAS PubMed Google Scholar

Huxley, A. Überlegungen zum Muskel. Bd. 14 (Liverpool University Press, Liverpool, 1980).

Timoschenko, SP & Gere, JM Theorie der elastischen Stabilität (Courier Dover Publications, 2009).

Krasheninnikov, A. & Nordlund, K. Durch Ionen- und Elektronenbestrahlung induzierte Effekte in nanostrukturierten Materialien. J. Appl. Physik. 107, 071301 (2010).

ADS Google Scholar

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Dieses Projekt wurde gemeinsam vom National Key Basic Research Program of China (Grant Nos. 2012CB937503 und 2013CB934203) und der National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51173030, 11225210, 21474023 und 11222217) unterstützt.

CAS Key Laboratory of Nanosystem and Hierachical Fabrication, National Center for Nanoscience and Technology, Peking, 100190, China

Zhaohe Dai, Luqi Liu, Xiaoying Qi, Jun Kuang und Zhong Zhang

Zentrum für Nano- und Mikromechanik (CNMM), Tsinghua-Universität, Peking, 100084, China

Hongwei Zhu & Zhong Zhang

Staatliches Schlüssellabor für nichtlineare Mechanik, Institut für Mechanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, 100190, China

Zhaohe Dai & Yueguang Wei

Abteilung für moderne Mechanik, CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials, University of Science and Technology of China, Hefei, 230027, Anhui, China

Zhong Zhang

Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, 100049, China

Zhaohe Dai

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HZ hat die Materialien vorbereitet. XQ führte die TEM-Charakterisierung durch. ZD und LL entwickelten mechanische Tests und das theoretische Modell. ZD, LL, JK, YW, HZ und ZZ diskutierten die Ergebnisse und überarbeiteten das Manuskript.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Dai, Z., Liu, L., Qi, X. et al. Dreidimensionale Schwämme mit höchster mechanischer Stabilität: Nutzung der echten Elastizität einzelner Kohlenstoffnanoröhren in makroskopischen Architekturen. Sci Rep 6, 18930 (2016). https://doi.org/10.1038/srep18930

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Eingegangen: 18. September 2015

Angenommen: 30. November 2015

Veröffentlicht: 06. Januar 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep18930

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