Углеродные нанотрубки (УНТ) отличаются рекордно высокими механическими характеристиками. Так, модуль Юнга однослойной УНТ составляет порядка терапаскаля, что в десятки раз превышает соответствующую величину для наиболее прочных стальных нитей и тросов.

Это открывает перспективы создания на основе УНТ новых сверхпрочных гибких материалов, сочетающих высокие механические качества с хорошей электропроводностью и химической стабильностью. Однако при переходе от индивидуальной нанотрубки к макро-скопическим материалам, содержащим большое количество таких объектов, прочностные качества материала снижаются.

Так, модуль Юнга жгутов, состоящих из нескольких сотен однослойных УНТ, не превышает 10 ГПа, что в несколько раз ниже соответствующей величины для самых прочных стальных тросов. Это обусловлено тем обстоятельством, что силы взаимодействия между соседними нанотрубками, входящими в состав макроскопического материала, существенно (на 1 – 2 порядка) слабее, чем силы взаимодействия между соседними атомами углерода, принадлежащими одной нанотрубке.

Поэтому механическая нагрузка, накладываемая на определенные нанотрубки, плохо передается другим нанотрубкам, которые непосредственно не подвержены воздействию, и растяжение материала под действием механической нагрузки обусловлено не столько растяжением индивидуальных нанотрубок, входящих в его структуру, сколько движением нанотрубок в материале друг относительно друга.

а) Изображение жгутов УНТ, подверженных процедуре скручивания на 10, 30, 50 и 70 оборотов, соответственно (сверху вниз); b) зависимость нагрузки от числа витков скручивания (на вставке показано, как при большом скручивании жгут теряет прямолинейную форму); с) зависимость прочности на разрыв от числа витков скручивания

Эффективный способ повышения прочности нитей, состоящих из большого числа индивидуальных однослойных УНТ, разработан недавно в одном из университетов Тайваня, где использование методики скручивания толстых нитей из УНТ привело к многократному увеличению модуля Юнга [1]. Однослойные УНТ были синтезированы в результате пиролиза феррроцена при температуре 1200 °C.

Исходные образцы, имеющие структуру пленки, сворачивались с помощью специального моторчика в жгуты диаметром около 15 мкм и длиной 8 см. Наблюдения, выполненные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывают, число оборотов на 1 см длины исходного жгута, составляет около 10. Было отобрано несколько жгутов, каждый из которых подвергался закручиванию на 10, 30, 50 и 70 оборотов, соответственно (см. рис.). Это приводило к некоторому (не более 7%) укорачиванию жгутов и существенному (до трехкратного) увеличению их плотности.

Прочность жгутов, подвергнутых процедуре скручивания, измерялась стандартным методом в зависимости от числа витков. Как видно, скручивание на 70 витков приводит к шестикратному увеличению прочности жгутов на разрыв. Если число витков превышает 100, прочность существенно снижается, что связано с нарушением прямолинейной формы жгута.

1. T.-W. Cheng, W.-K. Hsu Appl. Phys. Lett. 90, 123102 (2007)

Автор: А.В.Елецкий