Composite materials
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Debido a las propiedades mecánicas superiores de los nanotubos de carbono, se han propuesto muchas estructuras que van desde artículos cotidianos como ropa y equipamiento deportivo hasta chaquetas de combate y ascensores espaciales.[20] Sin embargo, el ascensor espacial requerirá más esfuerzos para perfeccionar la tecnología de nanotubos de carbono, ya que la resistencia práctica a la tracción de los nanotubos de carbono debe mejorar mucho.[21].
En perspectiva, ya se han logrado avances sobresalientes. El trabajo pionero dirigido por Ray H. Baughman en el Instituto de Nanotecnología ha demostrado que los nanotubos de paredes simples y múltiples pueden producir materiales con una dureza sin igual en los mundos natural y artificial.[22][23].
Los nanotubos de carbono también son un material prometedor como bloques de construcción en materiales compuestos jerárquicos dadas sus excepcionales propiedades mecánicas (~1 TPa en módulo y ~100 GPa en resistencia). Los intentos iniciales de incorporar los CNT en estructuras jerárquicas (como hilos, fibras o películas[24]) han llevado a propiedades mecánicas significativamente más bajas que estos límites potenciales. La integración jerárquica de nanotubos de carbono de pared múltiple y óxidos de metal/metal dentro de una única nanoestructura puede aprovechar la potencialidad de los compuestos de nanotubos de carbono para la descomposición del agua y la electrocatálisis.[25] Windle et al. han utilizado un método de hilado de deposición química de vapor (CVD) in situ para producir hilos de CNT continuos a partir de aerogeles de CNT cultivados mediante CVD.[26][27][28] Los hilos de CNT también se pueden fabricar extrayendo paquetes de CNT de un bosque de CNT y retorciéndolos posteriormente para formar la fibra (método de estirar y torcer, vea la imagen a la derecha). El grupo Windle ha fabricado hilos CNT con resistencias de hasta ~9 GPa en longitudes de calibre pequeñas de ~1 mm, sin embargo, se informaron resistencias de solo aproximadamente ~ 1 GPa en la longitud de referencia más larga de 20 milímetros[29][30] La razón por la cual las resistencias de las fibras han sido bajas en comparación con la resistencia de los CNT individuales se debe a que no se transfirió la carga de manera efectiva a los CNT constituyentes (discontinuos) dentro de la fibra. Una posible vía para paliar este problema es la reticulación covalente entre haces y entre CNT inducida por irradiación (o deposición) para "unir" eficazmente los CNT, con niveles de dosificación más elevados que den lugar a la posibilidad de obtener fibras compuestas de carbono amorfo/nanotubos de carbono.[31] Espinosa et al. desarrollaron hilos compuestos de DWNT-polímero de alto rendimiento retorciendo y estirando cintas de haces de DWNT orientados aleatoriamente y recubiertos con compuestos orgánicos poliméricos. Estos hilos de DWNT-polímero mostraron una energía de rotura inusualmente alta, de ~100 J-g-1 (comparable a la de uno de los materiales naturales más resistentes, la seda de araña),[32] y una resistencia de hasta ~1,4 GPa.[33] Se están realizando esfuerzos para producir compuestos de CNT que incorporen materiales de matriz más resistentes, como el Kevlar, para mejorar aún más las propiedades mecánicas respecto a las de los CNT individuales.
Debido a la gran resistencia mecánica de los nanotubos de carbono, se está investigando cómo tejerlos en la ropa para crear prendas a prueba de puñaladas y balas. Los nanotubos impedirían eficazmente que la bala penetrara en el cuerpo, aunque la energía cinética de la bala probablemente causaría fracturas óseas y hemorragias internas.[34].
Los nanotubos de carbono también pueden acortar los tiempos de procesamiento y aumentar la eficiencia energética durante el curado de composites mediante el uso de calentadores estructurados con nanotubos de carbono. El autoclave es el método de referencia para el curado de materiales compuestos, pero tiene un precio elevado y limita el tamaño de las piezas. Los investigadores calculan que el curado de una pequeña sección del fuselaje de fibra de carbono y epoxi del Boeing 787 requiere 350 GJ de energía y produce 80 toneladas de dióxido de carbono. Esto es aproximadamente la misma cantidad de energía que consumirían nueve hogares en un año.[35] Además, la eliminación de las limitaciones de tamaño de las piezas elimina la necesidad de unir pequeños componentes de composite para crear estructuras a gran escala. Esto ahorra tiempo de fabricación y da lugar a estructuras más resistentes.
Los calentadores estructurados con nanotubos de carbono prometen sustituir a los autoclaves y hornos convencionales para el curado de composites por su capacidad para alcanzar altas temperaturas a velocidades de rampa rápidas con una gran eficiencia eléctrica y flexibilidad mecánica. Estos calentadores nanoestructurados pueden adoptar la forma de una película y aplicarse directamente al composite. Esto da lugar a una transferencia de calor conductiva, a diferencia de la transferencia de calor convectiva que utilizan los autoclaves y los hornos convencionales. Lee et al. informaron de que sólo el 50% de la energía térmica introducida en un autoclave se transfiere al composite que se está curando, independientemente del tamaño de la pieza, mientras que en un calentador de película nanoestructurada se transfiere alrededor del 90% de la energía térmica, dependiendo del proceso.[36].
Lee et al. consiguieron curar con éxito materiales compuestos de calidad aeroespacial utilizando un calentador de CNT fabricado "empujando en dominó" un bosque de CNT sobre una película de teflón. A continuación, esta película se colocó sobre un preimpregnado OOA (tecnología y aplicación Out of Autoclave) de 8 capas. Se incorporó aislamiento térmico alrededor del conjunto. A continuación, todo el conjunto se envasó al vacío y se calentó con una fuente de alimentación de 30 V CC. Se realizaron pruebas mecánicas y de grado de curado para comparar los composites curados de forma convencional con su configuración OOA. Los resultados mostraron que no había diferencias en la calidad del composite creado. Sin embargo, la cantidad de energía necesaria para curar el composite OOA se redujo en dos órdenes de magnitud, de 13,7 MJ a 118,8 kJ.[37].
Sin embargo, antes de que los nanotubos de carbono puedan utilizarse para curar los fuselajes del Boeing 787, es necesario un mayor desarrollo. El mayor reto a la hora de crear calentadores estructurados con nanotubos de carbono es conseguir una dispersión uniforme de los nanotubos en una matriz polimérica para garantizar que el calor se aplique de manera uniforme. La elevada superficie de los nanotubos de carbono genera fuertes fuerzas de Van Der Waals entre cada uno de ellos, lo que provoca su aglomeración y hace que las propiedades caloríficas no sean uniformes. Además, la matriz de polímero debe elegirse cuidadosamente para que pueda soportar las altas temperaturas generadas y los ciclos térmicos repetitivos necesarios para curar múltiples componentes compuestos.
Mixtures
MWNTs were first used as electrically conductive fillers in metals, in concentrations up to 83.78% by weight (wt%). The MWNT-polymer composites reach conductivities of up to 10,000 S m at a loading of 10 wt%. In the automotive industry, CNT plastics are used in the electrostatic-assisted painting of mirror housings, as well as in fuel lines and filters that dissipate electrostatic charge. Other products include electromagnetic interference (EMI) shielding packages and silicon wafer carriers.[2].
For load-bearing applications, CNT powders are mixed with precursor polymers or resins to increase stiffness, strength, and toughness. These improvements depend on the diameter, aspect ratio, alignment, dispersion, and interfacial interaction of the CNTs. Pre-mixed resins and master batches employ CNT loadings of 0.1 to 20 wt.%. Nanoscale "stick-slip" between CNTs and CNT-polymer contacts can increase material cushioning and improve sporting goods, such as tennis rackets, baseball bats, and bicycle frames.[2].
CNT resins enhance fiber composites, including wind turbine blades and maritime security boat hulls that are manufactured by upgrading carbon fiber composites with CNT-enhanced resin. CNTs are implemented as additives in the organic precursors of stronger 1 μm diameter carbon fibers. CNTs influence the arrangement of carbon in the pyrolyzed fiber.[2]
Faced with the challenge of organizing CNTs on a larger scale, hierarchical fiber composites are created by growing aligned forests on fibers of glass, silicon carbide (SiC), alumina and carbon, creating so-called "diffuse" fibers. CNT-SiC and CNT-alumina diffuse epoxy fabrics showed a 69% improvement in crack resistance (mode I) and/or interlaminar in-plane shear strength (mode II). Applications being investigated include lightning protection, de-icing, and aircraft structural health monitoring.[2].
MWNTs can be used as a flame retardant additive for plastics due to changes in rheology due to nanotube loading. These additives can replace halogenated flame retardants, which face environmental restrictions.[2].
CNT/concrete mixtures offer higher tensile strength and lower crack propagation.[38].
Buckypaper (aggregate of nanotubes) can significantly improve fire resistance thanks to efficient heat reflection[39].
Textiles
Previous studies on the use of CNTs for textile functionalization focused on spinning fibers to improve physical and mechanical properties.[40][41][42] Recently, much attention has been paid to the coating of fabrics with CNTs. Various methods have been employed to modify fabrics with CNTs. For example, Panhuis et al. produced smart e-textiles for human biomonitoring using a polyelectrolyte-based coating with CNTs.[43] Furthermore, Panhuis et al. dyed textile material by immersion in a poly(2-methoxyaniline-5-sulfonic acid) PMAS polymer solution or in a PMAS-SWNT dispersion with improved conductivity and capacitance with long-lasting performance.[44] In another study, Hu and co-workers coated single-walled carbon nanotubes with a simple “dip and dry” process for wearable electronics and energy storage applications.[45] In a recent study, Li and Their collaborators used an elastomeric separator and almost achieved a fully stretchable supercapacitor based on single-walled carbon nanotube macrofilms. Electrospun polyurethane was used, which provided good mechanical stretchability, and the entire cell achieved excellent charge and discharge stability.[46] CNTs have an aligned nanotube structure and a negative surface charge. Therefore, they have similar structures to direct dyes, so the exhaustion method is applied for the coating and absorption of CNT on the surface of the fiber for the preparation of multifunctional fabric including antibacterial, electrical conductive, flame retardant and electromagnetic absorption properties.[47][48][49].
Going forward, CNT[50] yarns and sheets manufactured by direct chemical vapor deposition (CVD) or spinning or drawing methods may compete with carbon fiber for high-end uses, especially in weight-sensitive applications requiring combined electrical and mechanical functionality. Research wires made from low-walled CNTs have achieved a stiffness of 357 GPa and a strength of 8.8 GPa for a gauge length comparable to that of millimeter CNTs in the wire. Centimeter-scale lengths only offer a gravimetric strength of 2 GPa, equal to that of Kevlar.[2].
Since the probability of critical failure increases with volume, the threads may never reach the strength of individual CNTs. However, the high surface area of CNTs can provide interfacial coupling that mitigates these deficiencies. CNT threads can be knotted without loss of strength. Coating drawn CNT sheets with functional powder before twist insertion produces weaveable, braidable, and sewable yarns containing up to 95% by weight of powder. Its uses include superconducting wires, battery and fuel cell electrodes, and self-cleaning textiles.[2].
Aligned SWNT fibers, still impractical, can be fabricated by coagulation spinning CNT suspensions. Cheaper SWNTs or spun MWNTs are needed for commercialization.[2] Carbon nanotubes can be dissolved in superacids, such as fluorosulfuric acid, and stretched into fibers in dry wet jet spinning.[51].
Carbon nanotube springs
Stretched and aligned MWNT spring "forests" can achieve 10 times the energy density of steel springs, offering cyclic durability, temperature insensitivity, no spontaneous discharge, and no arbitrary discharge rate. It is expected that SWNT forests can store much more than MWNTs.[58].
Alloys
Adding small amounts of CNTs to metals increases tensile strength and modulus, with potential in aerospace and automotive structures. Commercial aluminum-CNT composites have strength comparable to that of stainless steel (0.7 to 1 GPa) with one-third the density (2.6 g cm-3), comparable to that of more expensive aluminum-lithium alloys.[2].
Coatings and films
CNTs can serve as a multifunctional coating material. For example, paint/MWNT mixtures can reduce biofouling of ship hulls by discouraging the adhesion of algae and barnacles. They are a possible alternative to paints containing biocides, dangerous for the environment.[59] The mixture of CNTs in anti-corrosion coatings for metals can improve the rigidity and resistance of the coating and provide a path for cathodic protection.[2].
CNTs are a cost-effective alternative to ITO for a number of consumer devices. In addition to cost, the flexible, transparent conductors of CNTs offer an advantage over fragile ITO (indium tin oxide) coatings for flexible displays. CNT conductors can be deposited from solution and patterned using methods such as screen printing. SWNT films offer 90% transparency and 100 ohms per square resistivity. These films are being developed for thin film heaters, for example to defrost windows or sidewalks.[2].
Carbon nanotube forests and foams can also be coated with various materials to modify their functionality and performance. Examples include silicon-coated CNTs to create flexible, high-energy-density batteries,[60] graphene coatings to create highly elastic aerogels[61], and silicon carbide coatings to create a strong structural material for high-aspect-ratio 3D microarchitectures.[62].
There is a wide range of methods to convert CNTs into coatings and films.[63].
A pulverized mixture of carbon nanotubes and ceramics demonstrates an unprecedented ability to resist damage while absorbing laser light. These coatings, which absorb the energy of high-power lasers without breaking down, are essential for optical power detectors that measure the output of such lasers. They are used, for example, in military equipment to defuse unexploded mines. The composite is made up of multi-walled carbon nanotubes and a silicon, carbon and nitrogen ceramic. Boron increases the breakdown temperature. Nanotubes and graphene-like carbon transmit heat well, while oxidation-resistant ceramics increase damage resistance. To create the coating, the nanotubes were dispersed in toluene, to which a transparent liquid polymer containing boron was added. The mixture was heated to 1100°C (2010°F). The result was ground to a fine powder, dispersed again in toluene and pulverized in a thin layer on a copper surface. The coating absorbed 97.5% of the light from a far-infrared laser and tolerated 15 kilowatts per square centimeter for 10 seconds. Damage tolerance is approximately 50 percent higher than similar coatings, for example, nanotubes alone and carbon paint.[64][65].
Radars operate in the microwave frequency range, which can be absorbed by MWNTs. Applying MWNTs to the aircraft would cause them to be absorbed by the radar and therefore appear to have a smaller radar cross section. One of these applications could be painting the nanotubes on the plane. Recently, the University of Michigan has studied the usefulness of carbon nanotubes as cloaking technology in airplanes. It has been discovered that, in addition to absorbing radar, nanotubes do not reflect or scatter visible light, so they are practically invisible at night, like if current stealth planes were painted black, but much more effectively. However, current manufacturing limitations make the production of nanotube-coated aircraft impossible. One theory to overcome these current limitations is to coat small particles with nanotubes and suspend the nanotube-coated particles in a medium such as paint, which can then be applied to a surface, such as a stealth aircraft.[66].