سعة تخزين الطاقة الميكانيكية النانوية العملاقة في حبال الأنابيب النانوية الكربونية الملتوية ذات الجدار الواحد

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

المواد

تم شراء عينات CNT التي تحتوي على أنابيب SWCNT بأقطار 2.0 نانومتر و1.5 نانومتر، والتي تم إنتاجها عن طريق ترسيب البخار الكيميائي، من MEIJO eDIPS Nano Carbon مع تحديد المنتج EC2.0 وEC1.5. تم شراء مادة TPU من شركة BASF Japan، التي تنتج هذا المطاط الصناعي تحت الاسم التجاري BASF Elastollan S80A10 TPU. كريات من البوليسترين القصير (PSS)، ذات وزن جزيئي متوسط M_w ≈ 800-5,000 وحدة كتلة ذرية (amu)، وبوليسترين طويل (PSL)، بمتوسط وزن جزيئي M_w ≈ 300,000 amu، تم شراؤها من Polysciences. PVA ذو وزن جزيئي متوسط M_w تم شراء ≈ 146,000–186,000 وحدة دولية، و99+% متحلل مائيًا، من Sigma-Aldrich. جميع المذيبات المستخدمة في هذه الدراسة كانت من الدرجة التحليلية، وتم شراؤها من Fujifilm Wako Pure Chemical، وتم استخدامها كما تم استلامها. تم شراء المادة اللاصقة المكونة من مادة السيانو أكريليت كونيشي بوند ألون ألفا سوبر جيل، والتي تستخدم لربط الحبل بأداة قياس الضغط، من كونيشي.

توصيف شكل ونوعية حبال SWCNT

تم الحصول على صور SEM للتضاريس السطحية لحبال SWCNT باستخدام أداة سلسلة Hitachi High-Technologies Corporation FE-SEM SU8000. تم تشغيل المجهر بجهد متسارع قدره 5 كيلو فولت تحت فراغ قدره 10^-4 تم استخدام Pa.SEM لتحديد مورفولوجية SWCNTs في الحبال. تم الحصول على صور مجهرية HRTEM وصور مقطعية باستخدام مجهر إلكتروني JEOL 2100F مجهز بمصحح Cs ويعمل بجهد تسارع قدره 80 كيلو فولت. بالنسبة لصور HRTEM المستعرضة، تم قطع الحبل y (TPU) بشكل عمودي على المحور الطويل باستخدام SEM-FIB (JIB-4610F (JEOL). قياسات التحليل الطيفي رامان، التي تم إجراؤها باستخدام مطياف Jasco Laser Raman NRS-4100 مع ساعدنا الليزر 532 نانومتر في تحديد التغيرات الهيكلية في مادة حبل SWCNT، وتم استخدام مجهر ضوئي (TBR-1 Yashima Optical) مزود بكاميرا مجهر رقمية من نوع Carl Zeiss (Axiocam ERc 5s) لتحديد زوايا الالتواء للحبال المصنعة. تم إجراء تكبير مراقبة × 400 (العدسة × 10، العدسة الموضوعية × 40) باستخدام مرشح أخضر باستخدام مقياس حيود الأشعة السينية للأغشية الرقيقة المثبت في BL8S1 بمركز إشعاع السنكروترون Aichi كان الطول الموجي 0.1355 نانومتر. تم تركيب عينات Taut y-rope (TPU) بالطين (UHU patafix) على لوحة عينة غير عاكسة من السيليكون.

إعداد الحبال SWCNT

لقد وجدنا أن Meijo eDIPS SWCNTs، التي تم استخدامها في دراستنا، شديدة التبلور، وكانت كمية الكربون المضطرب منخفضة جدًا، كما يتضح من نسبة G / D العالية التي تزيد عن 100 في طيف رامان الموضح في الشكل التكميلي XNUMX. 4. تم تحضير حبال SWCNT بثلاث طرق، وهي طريقة الغزل التي تنتج حبال y، وطريقة اللف التي تنتج حبال r، وطريقة التشتت لتشكيل حبال d، ويظهر التسلسل الزمني لهذه العمليات في الشكل التكميلي. 2.

في طريقة الغزل لتحضير الحبال، قمنا بسحب أطول خيط SWCNT من تكتل الأنابيب النانوية باستخدام الملقط، على غرار سحب خيط من شرنقة حريرية. تم وزن العينات وإيداعها على صفائح تفلون. قمنا أيضًا بتكثيف العينة عن طريق إضافة بضع قطرات من الأسيتون إلى كل حبلا SWCNT، والتي اخترقت المساحات بين الأنابيب وبين الخيوط عن طريق العمل الشعري. تم بعد ذلك لف العينة المطولة عدة مرات يدويًا، مما أدى إلى ما نسميه بالحبل على شكل حرف Y.

في طريقة اللف، قمنا أولاً بإسقاط أقل من 1 مل من الأسيتون أو الإيثانول أو الماء على 5-10 ملجم من تكتل SWCNT. تم بعد ذلك وضع الفيلم بين صفائح التفلون وتم تكثيفه عن طريق دحرجته بشكل طبيعي في اتجاه SWCNT باستخدام أسطوانة تطبق ضغطًا ميكانيكيًا. تم تقشير طبقة رقيقة من لوح SWCNT المكثف باستخدام شريط سكوتش. تم تقطيع هذه الطبقة إلى شرائح رفيعة على طول اتجاه الأنابيب النانوية الكربونية (SWCNTs) وغمرها في التولوين. تم لف الشرائط المنقوعة بالتولوين يدويًا بشكل فردي لتشكل ما نسميه حبل r.

في طريقة التشتيت، المعروفة أيضًا باسم ورق بوكي، نقوم عادةً بتشتيت 1 مجم من تكتل SWCNT في 50 مل من مذيب، مثل الأسيتون أو التولوين أو H₂O_2, وصوتت التعليق. تم ترشيح تشتت SWCNT الناتج وتجفيفه عند 80 درجة مئوية لتكوين ورق بوكي. على غرار طريقة اللف، تم تقشير طبقة رقيقة من ورق البوكي باستخدام شريط سكوتش، وتقطيعها إلى شرائح وغمرها في التولوين. تم لف الشرائط المنقوعة بالتولوين يدويًا بشكل فردي لتشكيل ما نسميه حبل D.

سمحت تقنيات التصنيع هذه بتكوين حبال SWCNT بالأقطار والأطوال المطلوبة ليتم اختبارها لتخزين الطاقة الميكانيكية النانوية باستخدام المعدات الموضحة في الشكل 1. 2a. بغض النظر عن تقنية التصنيع، وجدنا أن خطوة التكثيف ضرورية لتعزيز قدرة تحمل الحبال من خلال تحسين قدرات نقل الأحمال بين SWCNT وبين الخيوط^34,35.

تعديل الحبال SWCNT

تم تعزيز حبال SWCNTs كما تم الحصول عليها من خلال عمليات التعديل المختلفة، بما في ذلك ترسيب الكربون أو الكبريت أو عن طريق تشكيل مركبات نانوية تحتوي على TPU أو البوليسترين (PSS، PSL)، تليها تشعيع الميكروويف.

لترسيب الكربون على الحبال، تم وضع عينات حبل SWCNT على بعد 25 مم من قضيب الكربون الخاص بطبقة الكربون الأوتوماتيكية JEOL JEC-530 المجهزة بقدرة ترسيب البخار الفيزيائي. تم تركيب القضيب في نظام فراغ بين طرفين لتوفير تيار كهربائي عالي. أدى ترسيب أغشية الكربون الرقيقة خلال دورات متعددة مدتها 10 ثوانٍ، والتي تم خلالها تسخين القضيب إلى درجة حرارة تبخر الكربون، إلى الحصول على عينات مما نسميه حبل y (C).

لإيداع الكبريت، 1 ميكرولتر من S/CS₂ محلول (0.05 أو 0.5 مجم مل^-1) تم وضعها في أنبوب زجاجي ثم CS₂ تم تبخيره بالكامل. تم وضع عينات من الحبل y (C) في الأنبوب الزجاجي المحتوي على الكبريت، والذي تم إغلاقه عند درجة حرارة أقل من 1 باسكال. ثم تم ترسيب بخار الكبريت لمدة ساعة واحدة تحت ضغط منخفض وعند درجة حرارة 1 درجة مئوية لتكوين ما نسميه الحبل y (C+S).

لتعديل حبال SWCNT بواسطة TPU، أضفنا عادةً 100 ميكرولتر من محلول TPU / الأسيتون (0.54 مجم مل^-1) إلى أطول خيوط SWCNT المستخرجة من تكتلات SWCNT. تم بعد ذلك لف العينات المطولة يدويًا عدة مرات لتشكيل حبال أثناء الغزل. هنا، تجدر الإشارة إلى أنه خلال كل عمليات التعديل هذه، تغيرت محاذاة SWCNTs بشكل ملحوظ (الشكل 1 أ). 5a والتين التكميلية. 20 و 21). زاوية الالتواء الأولية (α) من عينات الحبل المعدة كان α = 14° ± 4° (الشكل التكميلي XNUMX). 24). ضمن نطاق sd، لم يكن لزاوية الالتواء الأولية للعينات المعدة ذات الأبعاد المماثلة أي تأثير كبير على GED الإجمالي لأن عينات الحبل كانت ملتوية بمحرك في اتجاه تطورها الأولي. تم الحفاظ على العينات الناتجة تحت فراغ عند 180 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. تم إغلاق هذه الحبال تحت فراغ (1-0.06 باسكال) في أنابيب زجاجية فردية، تليها تشعيع الميكروويف (0.4 واط) لمدة 200 ثوانٍ، لتشكيل حبال SWCNT-TPU نانوية مركبة تسمى حبال y (TPU). على الرغم من صعوبة قياس درجة الحرارة أثناء عملية التشعيع هذه، إلا أنه يجب وضع المزدوجة الحرارية المستخدمة بدقة بالقرب من عينة الحبل. أظهرت المراقبة البصرية وجود ضوء غريب قد يكون نتيجة لتفريغ البلازما مما يؤدي إلى درجة حرارة أعلى بما فيه الكفاية من درجة حرارة التحول الزجاجي للبوليمرات. تم تحضير الحبال y المركبة النانوية (PSS) والحبال y (PSL) المستندة إلى PSS و PSL بطريقة مماثلة ، باستخدام محاليل PSS / التولوين أو PSL / التولوين (5 مجم مل )^-1). تراوحت أقطار الحبال النموذجية من 30 إلى 100 ميكرومتر، وكانت أطوال الحبل 20-30 ملم. تم تحضير حبل y مركب نانوي (PVA) قائم على PVA باستخدام محلول مائي بنفس تركيز محلول TPU / الأسيتون (0.54 مجم مل )^-1). تم إذابة مسحوق PVA في الماء الساخن لتكوين محلول مائي، منه 2 ميكرولتر ميكروجرام^-1 تمت إضافته إلى أطول خيوط SWCNT، ولفها وتجفيفها في فرن مفرغ عند 100 درجة مئوية لتحضير حبل y (PVA).

القياس الديناميكي للGED

قمنا بقياس تخزين الطاقة في حبال SWCNT تحت الضغط الالتوائي باستخدام أداة اختبار Shimadzu الآلية (EZ Test، EZ-LX) مع سعة تحميل قصوى تبلغ 500 نيوتن، والحد الأقصى للسكتة الدماغية 920 مم وسرعة اختبار التمدد تتراوح من 0.001 إلى 1,000 ملم دقيقة^-1. لاختبار أداء العينة أثناء اللف، تم تجهيز الأداة بخطافات عينية بفتحة 0.5 مم، حيث تم تركيب عينات الحبال عليها بقوة باستخدام مادة لاصقة تعتمد على السيانوأكريليت. اخترق هذا اللاصق الجزء الداخلي من الحبل، مما يضمن الإمساك بجميع أنابيب SWCNT مباشرة، وعدم حدوث أي انسحاب أثناء دورات التحميل/التفريغ. قوة الشد F الناتجة عن التواء حبل SWCNT من الطول الأولي L₀ والكتلة m تم تسجيله باستخدام مسجل بيانات Trapezium X.

بالتوازي، قمنا بقياس عزم الدوران T الناتجة عن لف حبل SWCNT بمقياس عزم الدوران التناظري الدقيق المتصل بخطاف العين السفلي ومشاهدته باستخدام كاميرا عالية السرعة. تمت مراقبة مقياس عزم الدوران باستخدام برنامج التكوين LK-Navigator 5000 من سلسلة LK-G2 لإزاحة الليزر فائق السرعة/الدقة (Keyence). يظهر الشكل XNUMX (أ) الإعداد التجريبي، بما في ذلك أداة القياس ومعدات التصوير وعينة حبل SWCNT المثبتة. 2a. أثناء القياسات، أجرينا تحليلًا دقيقًا للقيم المرصودة لـ F و T، والتي كانت عرضة لأخطاء منهجية في القياس والقياس ناجمة عن الانزلاق المحتمل بين الحبل وخطاف التثبيت، ولم يتم العثور على أي أخطاء كبيرة في بياناتنا. كان طول عينة الحبل المستخدم في هذه الدراسة يتراوح بين 20 و30 ملم وتم تثبيت طول الخطاف على الخطاف عند 5 ملم. والجدير بالذكر أن التجارب أشارت إلى اعتماد عزم الدوران على طول عينة الحبل (الشكل التكميلي SXNUMX). 23). مع زيادة طول الحبال المعتمدة على SWCNT، انخفض عزم الدوران، وبالتالي GED، والذي قد يرتبط بالعيوب العيانية في حبال SWCNT التي تم إنشاؤها أثناء عمليات التصنيع والتي أدت إلى تدهور الخواص الميكانيكية لعينات الحبال الناتجة.

يتيح لنا إعدادنا التجريبي قياس ثابت القوة الفعالة k_s = F/ΔL من حبل معين، حيث ΔL = L - L₀ هو التغير عن طول الحبل الأولي L₀. وبشكل مماثل، قمنا بتحديد وقياس ثابت عزم الدوران الفعال للحبل k_t = 2TL/εD. على افتراض أن قيم k_s و k_t لا تتغير أثناء لف الحبل، يمكننا تقييم GED باستخدام التعبير التالي:

$$ {mathrm {GED}} = 1/2 [{ك} _ {mathrm {s}} دلتا {L} ^ {2} + {ك} _ {mathrm {t}} varepsilon } ^ {2}] /م$$

(1)

ومع ذلك، يحدث استرخاء الإجهاد أثناء القياسات شبه الساكنة للقوة وعزم الدوران، مما يؤدي إلى تعديل قيم ثوابت القوة وعزم الدوران. وكبديل للنظام اللاتوافقي، يمكننا أن نفترض أن القوة وعزم الدوران يظلان ثابتين تقريبًا بين المنعطفات المتعاقبة n - 1 و n. في هذه الحالة، نقوم بتقدير GED باستخدام

$${mathrm{GED}}approxmathop{sum }limits_{1}^{n}[{F}_{n}دلتا {L}_{n}+دلتا varphi {T}_{n}]/m$ $

(2)

أين n هو عدد اللفات الكاملة التي تزيد زاوية الالتواء الكلية بمقدار Δφ = 2π بالراديان. F_n هي القوة و T_n هو عزم الدوران بعد n يتحول و ΔL_n = L_n - L_ن−1 هو تغير الطول بين المنعطفات n - 1 و n.

ومع ذلك، لأن كليهما F_n و T_n يتغير باستمرار، وهذا الافتراض له قيمة محدودة. للتعويض عن الأخطاء التي تحدثها العينات المحدودة، نستبدل الجمع في المعادلة (2) مع التكامل والحصول على:

$${mathrm{GED}}=left[int F(varphi )({mathrm{d}}L/{mathrm{d}}varphi )delta varphi +int T(varphi )delta varphiright]/m$$

(3)

لإجراء ما نسميه القياس الديناميكي، قمنا بتوصيل خلية الحمل بمحرك يدور بسرعة زاوية ثابتة واكتسبنا باستمرار قيم قوة الشد F(φ) وعزم الدوران Τ(φ) والتي تعتمد فقط على زاوية الالتواء φ. تمتد التكاملات على كامل نطاق زوايا الالتواء φ من الصفر إلى الحد الأقصى. وفي قياسنا دL/dφ يكاد يختفي لأن المسافة بين عيون الخطافات تظل كما هي. في هذه الحالة، يساهم عزم الدوران في الغالب في GED. من بين الطرق الثلاثة، النهج الموصوف بالمعادلة (3) يوفر التقدير الأكثر دقة لقيمة GED للحبل الملتوي. هنا، كان لسرعة الالتواء تأثير كبير على GED الناتج؛ في ظل ظروف مماثلة، كان GED لحبل y ~أعلى بنسبة 35٪ عند 110 دورة في الدقيقة مقارنة بتلك عند 10 دورة في الدقيقة (الشكل التكميلي XNUMX). 25). يمكن أن يعزى ذلك إلى تأثير الاسترخاء الهيكلي لخيوط SWCNT الموجودة على الحبال. للحصول على دورة أبطأ في الدقيقة، تتمتع حزم SWCNT بوقت كبير بما يكفي لتحقيق الاسترخاء الهيكلي، بينما عند دورة في الدقيقة أعلى، لا يتمتع النظام بوقت استرخاء كافٍ، مما يؤدي إلى تحسين بنسبة 35٪ في تخزين الطاقة. ولذلك، تم إجراء جميع التجارب بسرعة التواء قدرها 110 دورة في الدقيقة، وهي السرعة القصوى التي يمكن حساب عدد الدوران بها بواسطة المعدات الحركية المعملية والملاحظة البصرية.