Materiales compuestos
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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.
Mezclas
Los MWNT se utilizaron por primera vez como cargas conductoras de la electricidad en metales, en concentraciones de hasta el 83,78% en peso (wt%). Los compuestos de MWNT y polímeros alcanzan conductividades de hasta 10.000 S m con una carga del 10% en peso. En la industria del automóvil, los plásticos de CNT se utilizan en la pintura asistida por electrostática de carcasas de retrovisores, así como en conductos de combustible y filtros que disipan la carga electrostática. Otros productos son los paquetes de blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) y los soportes de obleas de silicio.[2].
Para aplicaciones de soporte de carga, los polvos de CNT se mezclan con polímeros o resinas precursoras para aumentar la rigidez, la resistencia y la tenacidad. Estas mejoras dependen del diámetro, la relación de aspecto, la alineación, la dispersión y la interacción interfacial de los CNT. Las resinas premezcladas y los lotes maestros emplean cargas de CNT de 0,1 a 20 % en peso. El "stick-slip" a nanoescala entre los CNT y los contactos CNT-polímero puede aumentar la amortiguación del material y mejorar los artículos deportivos, como raquetas de tenis, bates de béisbol y cuadros de bicicleta.[2].
Las resinas CNT mejoran los compuestos de fibra, incluidas las palas de turbinas eólicas y los cascos de los barcos de seguridad marítima que se fabrican mejorando los compuestos de fibra de carbono con resina mejorada con CNT. Los CNT se implementan como aditivos en los precursores orgánicos de fibras de carbono más fuertes de 1 μm de diámetro. Los CNT influyen en la disposición del carbono en la fibra pirolizada.[2]
Ante el reto de organizar los CNT a mayor escala, se crean compuestos de fibras jerárquicas haciendo crecer bosques alineados sobre fibras de vidrio, carburo de silicio (SiC), alúmina y carbono, creando las llamadas fibras "difusas". Los tejidos de epoxi difuso CNT-SiC y CNT-alúmina mostraron una mejora del 69% en la resistencia a la fisuración (modo I) y/o la resistencia interlaminar al cizallamiento en el plano (modo II). Entre las aplicaciones que se están investigando figuran la protección contra rayos, el deshielo y el control de la salud estructural de las aeronaves.[2].
Los MWNT se pueden usar como un aditivo retardante de llama para plásticos debido a los cambios en la reología por la carga de nanotubos. Estos aditivos pueden sustituir a los retardantes de llama halogenados, que se enfrentan a restricciones medioambientales.[2].
Las mezclas de CNT/concreto ofrecen una mayor resistencia a la tracción y una menor propagación de grietas.[38].
El buckypaper (agregado de nanotubos) puede mejorar significativamente la resistencia al fuego gracias a una eficiente reflexión del calor[39].
Textiles
Los estudios previos sobre el uso de CNT para la funcionalización textil se centraron en el hilado de fibras para mejorar las propiedades físicas y mecánicas.[40][41][42] Recientemente se ha prestado mucha atención al recubrimiento de tejidos con CNT. Se han empleado varios métodos para modificar los tejidos con CNT. Por ejemplo, Panhuis et al. produjeron e-textiles inteligentes para la biovigilancia humana utilizando un recubrimiento a base de polielectrolitos con CNT.[43] Además, Panhuis et al. tiñeron material textil por inmersión en una solución de polímero de poli (ácido 2-metoxi anilina-5-sulfónico) PMAS o en una dispersión de PMAS-SWNT con conductividad y capacitancia mejoradas con un comportamiento duradero.[44] En otro estudio, Hu y colaboradores recubrieron nanotubos de carbono de pared simple con un sencillo proceso de "inmersión y secado" para aplicaciones de electrónica vestible y almacenamiento de energía.[45] En un estudio reciente, Li y sus colaboradores utilizaron un separador elastomérico y casi consiguieron un supercondensador totalmente estirable basado en macropelículas de nanotubos de carbono de pared simple. Se utilizó poliuretano electrospun, que proporcionó una buena capacidad de estiramiento mecánico, y toda la célula consiguió una excelente estabilidad de carga y descarga.[46] Los CNT tienen una estructura de nanotubos alineados y una carga superficial negativa. Por lo tanto, tienen estructuras similares a los colorantes directos, por lo que el método de agotamiento se aplica para el recubrimiento y la absorción de CNT en la superficie de la fibra para la preparación de tejido multifuncional incluyendo antibacteriano, conductor eléctrico, retardante de llama y propiedades de absorción electromagnética.[47][48][49].
Más adelante, los hilos y láminas de CNT[50] fabricados por deposición química directa de vapor (CVD) o métodos de hilado o estirado podrán competir con la fibra de carbono para usos de gama alta, sobre todo en aplicaciones sensibles al peso que requieran una funcionalidad eléctrica y mecánica combinada. Los hilos de investigación fabricados con CNT de pocas paredes han alcanzado una rigidez de 357 GPa y una resistencia de 8,8 GPa para una longitud de calibre comparable a la de los CNT milimétricos del hilo. Las longitudes a escala centimétrica sólo ofrecen una resistencia gravimétrica de 2 GPa, igual a la del Kevlar.[2].
Dado que la probabilidad de que se produzca un fallo crítico aumenta con el volumen, es posible que los hilos nunca alcancen la resistencia de los CNT individuales. Sin embargo, la elevada superficie de los CNT puede proporcionar un acoplamiento interfacial que mitigue estas deficiencias. Los hilos de CNT pueden anudarse sin pérdida de resistencia. El recubrimiento de láminas de CNT estiradas con polvo funcional antes de insertar la torsión produce hilos tejibles, trenzables y cosibles que contienen hasta un 95 % en peso de polvo. Entre sus usos figuran los hilos superconductores, los electrodos de baterías y pilas de combustible y los textiles autolimpiables.[2].
Resortes de nanotubos de carbono
Los "bosques" de muelles de MWNT estirados y alineados pueden alcanzar una densidad energética 10 veces superior a la de los muelles de acero, ofreciendo durabilidad cíclica, insensibilidad a la temperatura, ausencia de descarga espontánea y velocidad de descarga arbitraria. Se espera que los bosques de SWNT puedan almacenar mucho más que los MWNT.[58].
Aleaciones
La adición de pequeñas cantidades de CNT a metales aumenta la resistencia a la tracción y el módulo, con potencial en estructuras aeroespaciales y de automoción. Los compuestos comerciales de aluminio y CNT tienen una resistencia comparable a la del acero inoxidable (de 0,7 a 1 GPa) con un tercio de la densidad (2,6 g cm-3), comparable a la de aleaciones más caras de aluminio y litio.[2].
Recubrimientos y películas
Los CNT pueden servir como material de recubrimiento multifuncional. Por ejemplo, las mezclas de pintura/MWNT pueden reducir la contaminación biológica de los cascos de los barcos al desalentar la adherencia de algas y percebes. Son una posible alternativa a las pinturas que contienen biocidas, peligrosas para el medio ambiente.[59] La mezcla de CNT en recubrimientos anticorrosión para metales puede mejorar la rigidez y la resistencia del recubrimiento y proporcionar un camino para la protección catódica.[2].
Los CNT son una alternativa económica a la ITO para una serie de dispositivos de consumo. Además del coste, los conductores flexibles y transparentes de los CNT ofrecen una ventaja sobre los frágiles revestimientos de ITO (óxido de indio-estaño) para pantallas flexibles. Los conductores de CNT pueden depositarse a partir de una solución y modelarse mediante métodos como la serigrafía. Las películas de SWNT ofrecen una transparencia del 90% y una resistividad de 100 ohmios por cuadrado. Estas películas se están desarrollando para calefactores de película fina, por ejemplo para descongelar ventanas o aceras.[2].
Los bosques y espumas de nanotubos de carbono también pueden recubrirse con diversos materiales para modificar su funcionalidad y rendimiento. Algunos ejemplos son los CNT recubiertos de silicio para crear baterías flexibles de alta densidad energética,[60] los recubrimientos de grafeno para crear aerogeles[61] de gran elasticidad y los recubrimientos de carburo de silicio para crear un material estructural resistente para microarquitecturas 3D de alta relación de aspecto.[62].
Existe una amplia gama de métodos para convertir los CNT en recubrimientos y películas.[63].
Una mezcla pulverizada de nanotubos de carbono y cerámica demuestra una capacidad sin precedentes para resistir los daños a la vez que absorbe la luz láser. Estos recubrimientos, que absorben la energía de los láseres de alta potencia sin descomponerse, son esenciales para los detectores ópticos de potencia que miden la salida de dichos láseres. Se utilizan, por ejemplo, en equipos militares para desactivar minas sin explotar. El compuesto está formado por nanotubos de carbono multipared y una cerámica de silicio, carbono y nitrógeno. El boro aumenta la temperatura de ruptura. Los nanotubos y el carbono similar al grafeno transmiten bien el calor, mientras que la cerámica resistente a la oxidación aumenta la resistencia a los daños. Para crear el recubrimiento se dispersaron los nanotubos en tolueno, al que se añadió un polímero líquido transparente que contenía boro. La mezcla se calentó a 1.100 °C (2.010 °F). El resultado se trituró hasta obtener un polvo fino, se dispersó de nuevo en tolueno y se pulverizó en una fina capa sobre una superficie de cobre. El recubrimiento absorbió el 97,5% de la luz de un láser infrarrojo lejano y toleró 15 kilovatios por centímetro cuadrado durante 10 segundos. La tolerancia al daño es aproximadamente un 50 por ciento superior a la de revestimientos similares, por ejemplo, nanotubos solos y pintura de carbono.[64][65].