Les fibres de nanotubes résistent bien – mais pendant combien de temps sous des contraintes et des contraintes ?

Des chercheurs de l’Université Rice ont découvert que le chargement cyclique des fibres de nanotubes entraîne un cliquet de contrainte qui peut éventuellement conduire à la défaillance de la fibre. Crédit : Illustration par Nitant Gupta et Evgeni Penev/Yakobson Research Group

Les scientifiques de Rice calculent comment les nanotubes de carbone et leurs fibres subissent la fatigue.

Ici, dans le monde macro, nous ressentons tous de la fatigue de temps en temps. Il en va de même pour les faisceaux de nanotubes de carbone, quelle que soit la perfection de leurs composants individuels.

Une étude de l’Université Rice calcule comment les contraintes et les contraintes affectent à la fois les nanotubes «parfaits» et ceux assemblés en fibres et a constaté que si les fibres soumises à des charges cycliques peuvent échouer avec le temps, les tubes eux-mêmes peuvent rester parfaits. La durée pendant laquelle les tubes ou leurs fibres maintiennent leur environnement mécanique peut déterminer leur caractère pratique pour les applications.

Cela a rendu l’étude, qui apparaît dans Avancées scientifiques, important pour le théoricien des matériaux de Rice Boris Yakobson, l’étudiant diplômé Nitant Gupta et le professeur assistant de recherche Evgeni Penev de la George R. Brown School of Engineering de Rice. Ils ont quantifié les effets des contraintes cycliques sur les nanotubes à l’aide de techniques de simulation de pointe comme une méthode de Monte Carlo cinétique. Ils espèrent donner aux chercheurs et à l’industrie un moyen de prédire combien de temps les fibres de nanotubes ou d’autres assemblages peuvent durer dans des conditions données.

“Le dépendance du temps de la résistance ou de l’endurance d’un nanotube individuel a été étudiée il y a longtemps dans notre groupe, et nous envisageons maintenant ses implications dans le cas du chargement cyclique des tubes et de leurs fibres, ou des assemblages en général », a déclaré Penev. “Récemment, quelques expériences ont rapporté que les nanotubes de carbone et graphène subir une défaillance catastrophique par fatigue sans dommage progressif. C’était assez curieux et surprenant pour raviver l’intérêt et nous a finalement conduits à terminer ce travail.

Des chercheurs de l’Université Rice ont déterminé plusieurs façons dont un nanotube subit une défaillance plastique, soit par un mouvement de dislocation sous une contrainte de 6 % (ici) ou par la formation de bandes de cisaillement sous une contrainte de 14 %. Les deux mécanismes, observés dans les simulations cinétiques de Monte Carlo, ne s’activent que dans des conditions extrêmes, de sorte qu’aucun ne semble être un facteur significatif de fatigue des nanotubes. Crédit : Nitant Gupta/Groupe de recherche Yakobson

Les nanotubes de carbone parfaits, considérés comme l’une des structures les plus solides de la nature, ont tendance à le rester à moins qu’un impact dramatique ne profite de leur nature fragile et les brise en morceaux. Les chercheurs ont découvert à travers atome-des simulations à l’échelle qui, dans des conditions ambiantes et même lorsqu’elles sont courbées ou déformées, les nanotubes supportent bien les contraintes de routine. Lorsque des défauts ponctuels (aka Défauts de Stone-Pays de Galles) apparaissent spontanément, les effets sur ces «infatigable« Les nanotubes sont négligeables.

Ils ont découvert que les mêmes principes s’appliquent au graphène sans tache.

Des chercheurs de l’Université Rice ont déterminé plusieurs façons dont un nanotube subit une défaillance plastique, soit par un mouvement de dislocation sous une contrainte de 6 %, soit dans cette animation par la formation de bandes de cisaillement sous une contrainte de 14 %. Les deux mécanismes, observés dans les simulations cinétiques de Monte Carlo, ne s’activent que dans des conditions extrêmes, de sorte qu’aucun ne semble être un facteur significatif de fatigue des nanotubes. Crédit : Nitant Gupta/Groupe de recherche Yakobson

Mais lorsque des millions de nanotubes sont regroupés dans des fibres filiformes ou d’autres configurations, la force de van der Waals qui lie les nanotubes parallèles les uns aux autres n’empêche pas le glissement. Plus tôt cette année, les chercheurs avaient démontré comment la friction entre les tubes conduit à des interfaces plus solides entre les nanotubes et est responsable de leur incroyable résistance. À l’aide de ce modèle, ils ont maintenant testé comment la fatigue peut s’installer sous des charges cycliques et comment cela conduit finalement à une défaillance.

Chaque fois qu’une fibre de nanotube est étirée ou tendue, elle retrouvera la plupart du temps sa forme d’origine une fois la tension relâchée. « La plupart du temps » est la clé ; il reste un peu de glissement résiduel, et cela peut augmenter à chaque cycle. C’est la plasticité : déformation avec reprise irréversiblement incomplète.

“Le chargement cyclique de la fibre de nanotubes fait que les tubes voisins s’éloignent ou se rapprochent, selon la partie du cycle dans laquelle ils se trouvent”, a expliqué Gupta. « Ce glissement n’est pas égal, provoquant une accumulation de contrainte globale à chaque cycle. C’est ce qu’on appelle le cliquet de contrainte, car la contrainte globale augmente toujours dans une direction, tout comme un cliquet se déplace dans une seule direction.

Les chercheurs ont noté que les fibres de pointe devraient être capables de surmonter le risque de défaillance en surmontant le glissement inévitable.

“Comme nous le savons, certaines des meilleures stratégies de production de fibres de nanotubes peuvent conduire à une résistance à la traction supérieure à 10 gigapascals (GPa), ce qui est incroyable pour leur application dans la vie quotidienne”, a déclaré Gupta. « Nous avons également découvert à partir de nos tests que leur limite d’endurance peut être de 30 % à 50 %, ce qui signifie qu’au moins jusqu’à 3 GPa, les fibres peuvent avoir une durée de vie pratiquement infinie. C’est prometteur pour leur utilisation comme matériaux structurels à faible densité.

Référence : « Fatigue in assemblys of indefatigable carbon nanotubes » par Nitant Gupta, Evgeni S. Penev et Boris I. Yakobson, 22 décembre 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.abj6996

L’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-17-1-0262) et la Welch Foundation (C-1590) ont soutenu la recherche, et les ressources informatiques ont été fournies par l’Extreme Science and Engineering Discovery Environment (ACI- 1548562) et le cluster Night Owls Time-Sharing Service à Rice (CNS-1338099). Yakobson est professeur Karl F. Hasselmann de science des matériaux et nano-ingénierie et professeur de chimie.