(Phys.org)—Onderzoekers van de North Carolina State University hebben nieuwe technieken ontwikkeld om koolstofnanobuizen (CNT) uit te rekken en deze te gebruiken om koolstofcomposieten te maken die als sterker, lichtere materialen in alles, van vliegtuigen tot fietsen.

Door het CNT-materiaal uit te rekken voordat het in een composiet wordt verwerkt voor gebruik in afgewerkte producten, de onderzoekers richten de CNT's in het materiaal recht, wat de treksterkte aanzienlijk verbetert - en de stijfheid van het composietmateriaal en de elektrische en thermische geleidbaarheid verbetert.

State-of-the-art koolstofvezelcomposieten worden momenteel gebruikt om vliegtuigen en andere producten te bouwen waar sterke, lichtgewicht materialen zijn wenselijk. Lichtere vliegtuigen, bijvoorbeeld, zijn zuiniger met brandstof. Echter, onderzoekers hebben lang gedacht dat als deze composieten zouden kunnen worden gemaakt met CNT's, ze net zo sterk zouden kunnen zijn, maar 10 keer lichter. Of ze kunnen hetzelfde gewicht hebben, maar 10 keer sterker.

Het maken van een sterke CNT-composiet vereist vier functies. Eerst, het heeft lange CNT's nodig, die effectiever zijn in het dragen van lasten. Tweede, de CNT's moeten in rijen worden uitgelijnd. Derde, de CNT's in het materiaal worden bij elkaar gehouden door een polymeer of hars, en u moet een hoge verhouding van CNT's tot polymeer hebben in het voltooide composietmateriaal. Vierde, je wilt dat de CNT's zo recht mogelijk zijn, zodat het materiaal gelijkmatig het gewicht draagt.

Al decenia, onderzoekers hebben deze doelen niet kunnen bereiken. Maar nu een onderzoeksteam, geleid door Dr. Yuntian Zhu, een professor in materiaalkunde en techniek bij NC State, heeft een oplossing ontwikkeld.

"De nieuwe techniek begint met een CNT-array, "Zhu zegt, "die eruitziet als een bos van CNT's die opgroeien uit een vlak substraat." Omdat de beeldverhouding van deze CNT's hoog is, ze zijn lang en mager - niet stijf. Dat betekent dat de CNT's tegen elkaar leunen in de array. "Door de CNT's aan het ene uiteinde van de array te pakken, we zijn in staat om ze op hun zij te trekken - en alle andere CNT's in de array vallen in dezelfde richting, " zegt Zhu. Dit resulteert in CNT's met een goede uitlijning.

Deze uitgelijnde CNT's worden vervolgens op een roterende spoel gewikkeld en besproeid met een polymeeroplossing om de CNT's aan elkaar te binden. Dit creëert een lintachtig composietmateriaal met een hoog percentage CNT's per volume, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om CNT-composietstructuren te maken voor gebruik in afgewerkte producten zoals vliegtuigen en fietsen. Maar dat doet niets af aan de noodzaak om de CNT's recht te trekken.

Om de CNT's recht te trekken, Zhu en zijn team rekken de CNT's uit terwijl de nanobuisjes op de roterende spoel worden getrokken. Dit proces verbetert de treksterkte van het CNT-composiet "lint" met ongeveer 90 procent (tot een gemiddelde van 3,5 gigapascal) en de stijfheid met meer dan 100 procent. Door de CNT's recht te trekken, de onderzoekers waren ook in staat om de thermische geleidbaarheid van de CNT-composiet bijna te verdrievoudigen, tot 40 watt per meter per kelvin. De elektrische geleidbaarheid is met 50 procent verhoogd tot 1, 230 siemens per meter.

Het papier over het uitrekken van de CNT's om ze recht te trekken, "Ultra sterk, Stijve en multifunctionele films samengesteld uit super uitgelijnde koolstofnanobuisjes, " wordt online gepubliceerd in het eerste nummer van het tijdschrift Brieven voor materiaalonderzoek .