Koolstofnanobuisjes (CNT's) en hun vezels zijn veelbelovende materialen voor een breed scala aan toepassingen vanwege hun uitzonderlijke mechanische en elektrische eigenschappen. Hun prestaties worden echter vaak beperkt door hun vermoeidheidsgedrag, dat wil zeggen de progressieve en plaatselijke schade die optreedt onder cyclische belasting. Het begrijpen en voorspellen van het vermoeiingsgedrag van CNT's en hun vezels is essentieel voor het garanderen van hun betrouwbaarheid in verschillende toepassingen.

In een recente studie hebben wetenschappers een uitgebreid computationeel raamwerk ontwikkeld om het vermoeidheidsgedrag van CNT's en hun vezels te berekenen. Het raamwerk combineert atomistische simulaties, continuümmechanica en statistische analyse om de vermoeiingslevensduur en faalmechanismen van deze materialen nauwkeurig te voorspellen. De belangrijkste bevindingen van het onderzoek bieden waardevolle inzichten in het vermoeidheidsgedrag van CNT's en hun vezels:

1. Voorspelling van de levensduur van vermoeiing:Het computationele raamwerk maakt de voorspelling mogelijk van de levensduur van CNT's en hun vezels onder verschillende belastingsomstandigheden. Door het samenspel van mechanismen op atomair en continuümniveau te beschouwen, legt het raamwerk de complexe schade-evolutieprocessen vast en voorspelt het nauwkeurig het aantal cycli tot mislukking.

2. Faalmechanismen:De studie identificeert de primaire faalmechanismen die verantwoordelijk zijn voor vermoeidheidsschade in CNT's en hun vezels. Deze mechanismen omvatten het verbreken van bindingen, het initiëren en verspreiden van scheuren en het breken van vezels. Het raamwerk biedt een gedetailleerd inzicht in de onderliggende mechanismen, waardoor onderzoekers het materiaalontwerp kunnen optimaliseren en vermoeiingsfouten kunnen verminderen.

3. Effect van defecten:Het raamwerk onderzoekt ook de invloed van defecten op het vermoeiingsgedrag van CNT's en hun vezels. Defecten, zoals leegstand en Stone-Wales-defecten, kunnen fungeren als kiemplaatsen voor vermoeiingsschade en de levensduur door vermoeiing aanzienlijk verkorten. De studie kwantificeert het effect van verschillende soorten defecten en hun concentraties, en begeleidt de ontwikkeling van hoogwaardige CNT's en vezels met verbeterde weerstand tegen vermoeidheid.

4. Vezeloriëntatie:De oriëntatie van CNT's in de vezel speelt een cruciale rol bij vermoeidheidsgedrag. Het raamwerk houdt rekening met de anisotrope eigenschappen van CNT's en hun uitlijning om de vermoeiingslevensduur van de vezels te voorspellen. Door de vezelarchitectuur te optimaliseren is het mogelijk om de algehele weerstand tegen vermoeiing te verbeteren en de materiaaleigenschappen aan te passen aan specifieke toepassingen.

5. Multischaalmodellering:Het computationele raamwerk combineert multischaalmodelleringstechnieken om de lengteschalen van atomistische interacties tot het macroscopische gedrag van CNT's en hun vezels te overbruggen. Deze multischaalbenadering maakt een nauwkeurige weergave van complexe schadeprocessen mogelijk en biedt een uitgebreid inzicht in het vermoeidheidsgedrag op verschillende hiërarchische niveaus.

Het ontwikkelde computationele raamwerk dient als een krachtig hulpmiddel voor onderzoekers en ingenieurs om op CNT gebaseerde materialen voor veeleisende toepassingen te ontwerpen en te optimaliseren. Door de levensduur van vermoeiing nauwkeurig te voorspellen en de onderliggende faalmechanismen te begrijpen, wordt het mogelijk om de betrouwbaarheid en prestaties van CNT's en hun vezels op verschillende gebieden, waaronder lucht- en ruimtevaart, elektronica en biomedische technologie, te verbeteren.