Research and development of aligned multi-walled carbon nanotube sheets, their prepregs and composites
Title Alternative:Výzkum a vývoj uspořádaných vrstev vícestěnných uhlíkových nanotrubic, jejich prepregů a kompozitů
Loading...
Date
2019
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Carbon nanotubes (CNTs) have attracted great interest because of their
outstanding mechanical, thermal, and electrical properties. Their excellent
properties along with high aspect ratio, high surface area available for stress transfer,
and low density make CNTs attractive as potential reinforcement agents for the next
generation of high-performance structural materials. However, large-scale
applications of individual CNTs remain challenging because of their poor
processability and difficulty of structural control. To enable practical applications of
CNTs, bulk CNT-reinforced polymer composites have been developed and assessed.
Most have specifically addressed the development of randomly oriented and
discontinuous CNTs dispersed in polymer matrices, which rely on unorganized
CNT architectures. Therefore, the mechanical properties of such composites fall far
short of the corresponding properties of high-performance composite materials.
Organized CNT architectures with determined orientations such as vertically
aligned CNT arrays have been demonstrated to be advantageous for the
development of high-performance CNT composite structures. Vertically aligned and
spinnable multi-walled CNT (MWCNT) arrays used in this habilitation thesis were
grown on bare quartz substrate using chloride-mediated chemical vapor deposition
(CVD) method. Solid-state drawing and winding techniques were applied to
transform a vertically aligned MWCNT array into horizontally aligned and multiply
MWCNT sheets. Highly aligned MWCNT sheets have been used to develop
aligned MWCNT-reinforced polymer composites. The introduction of aligned
MWCNTs in polymer matrices represents a novel direction for the development of
high-performance composites. The aligned MWCNT-reinforced polymer
composites are great interest because they are envisioned as a revolutionary
advanced composite material for a host of demanding applications.
Lightweight composites based on epoxy resin and differently aligned MWCNT
sheets were developed using hot-melt prepreg processing method. The hot-melt
prepreg processing maintained the alignment of MWCNTs during epoxy resin
impregnation. The mechanical properties of the aligned MWCNT sheets, aligned
vi
MWCNT/epoxy prepregs and composites were studied. Although the composites
made of epoxy resin and different MWCNT sheets contain aligned MWCNTs, their
mechanical properties are low partly because of the waviness and poor packing of
MWCNTs in the composites. Therefore, stretching and/or pressing of the aligned
MWCNT sheets were conducted to reduce the wavy MWCNTs and to increase the
dense packing of MWCNTs. The stretching and/or pressing of the MWCNT sheets
improved the mechanical properties of aligned MWCNT sheets and their
composites considerably. Particularly, application of both stretching and pressing is
most effective to produce superior aligned MWCNT sheets for the development of
high volume fraction MWCNT/epoxy composites with high strength and stiffness.
Uhlíkové nanotrubice (CNTs) vzbuzují v poslední době velký zájem pro své vynikající mechanické, tepelné a elektrické vlastnosti. CNTs jsou perspektivními výztužemi pro nové generace kompozitních konstrukčních materiálů pro své vynikající vlastnosti jako je vysoký poměr l/d (aspect ratio), velký specifický povrch výhodný pro přenos napětí a nízká hustota. Široké aplikaci CNTs však stále brání náročnost jejich zpracování a obtížnost řízení architektury kompozitu. V současnosti byly vyvinuty a odzkoušeny polymerní kompozity vyztužené krátkými rozptýlenými CNTs, které již mají praktické využití. Většina z nich má CNTs náhodně orientované a diskontinuálně rozptýlené v polymerní matrici. Proto mechanické vlastnosti těchto kompozitů s neřízenou CNTs architekturou však zdaleka nedosahují mechanických vlastností vysoce pevných kompozitních materiálů. Současný výzkum CNTs kompozitů je zaměřen na řízení architektury výztuže zejména na její orientaci jako např. využití vertikálně uspořádaných struktur CNTs (forests). Vertikálně uspořádané struktury vícestěnných uhlíkových nanotrubic (MWCNT), které byly vypěstovány na křemenném substrátu pomocí metody chemického napařování z plynné fáze (CVD), byly využívany pro výrobu rozsáhlejších kompozitních celků v této habilitační práci. Z těchto vyrovnaných struktur pak byly tažením vyrobeny vodorovně uspořádané různě tlusté vrstvy MWCNT. Tyto vysoce vyrovnané MWCNT vrstvy pak byly použity jako výztuž lehkých MWCNT/polymer kompozitů. Zavedení vyrovnaných MWCNT v polymerních matricích ukazuje nový směr pro vývoj vysoce výkonných kompozitů. Polymerní kompozity vyztužené souběžně srovnanými vrstvami MWCNTs jsou dnes ve středu zájmu, protože jsou považovány za revoluční moderní kompozitní materiály využitelné pro řadu náročných aplikací. viii Lehké kompozity s matricí z epoxidových pryskyřic byly vyrobeny z prepregů zhotovených metodou hot-melt z vhodně uspořádaných MWCNT vrstev. Použití hot-melt metody k výrobě prepregů zajistilo neměnné uspořádání MWCNTs během impregnace pryskyřicí. V rámci výzkumu byly stanoveny mechanické vlastnosti uspořádaných MWCNT vrstev a jejich kompozitů. Přestože kompozity byly vyrobeny z vyrovnaných MWCNT vrstev, jejich mechanické vlastnosti nebyly optimální částečně kvůli zvlnění a nerovnoměrnému napakování MWCNTs. Ke snížení zvlnění a zvýšení hustoty napakování MWCNTs byla vyvinuta metoda tažení a/nebo stlačování vyrovnaných MWCNT vrstev. Tažení a/nebo stlačování vrstev značně zlepšilo mechanické vlastnosti vyrovnaných MWCNT vrstev a kompozitů z nich vyrobených. Zvláště kombinace současného tažení a stlačování je nejúčinnější při výrobě kvalitních MWWCNT vrstev pro výrobu kompozitů s vysokými objemovými podíly MWCNT a s vysokou pevností a tuhostí.
Uhlíkové nanotrubice (CNTs) vzbuzují v poslední době velký zájem pro své vynikající mechanické, tepelné a elektrické vlastnosti. CNTs jsou perspektivními výztužemi pro nové generace kompozitních konstrukčních materiálů pro své vynikající vlastnosti jako je vysoký poměr l/d (aspect ratio), velký specifický povrch výhodný pro přenos napětí a nízká hustota. Široké aplikaci CNTs však stále brání náročnost jejich zpracování a obtížnost řízení architektury kompozitu. V současnosti byly vyvinuty a odzkoušeny polymerní kompozity vyztužené krátkými rozptýlenými CNTs, které již mají praktické využití. Většina z nich má CNTs náhodně orientované a diskontinuálně rozptýlené v polymerní matrici. Proto mechanické vlastnosti těchto kompozitů s neřízenou CNTs architekturou však zdaleka nedosahují mechanických vlastností vysoce pevných kompozitních materiálů. Současný výzkum CNTs kompozitů je zaměřen na řízení architektury výztuže zejména na její orientaci jako např. využití vertikálně uspořádaných struktur CNTs (forests). Vertikálně uspořádané struktury vícestěnných uhlíkových nanotrubic (MWCNT), které byly vypěstovány na křemenném substrátu pomocí metody chemického napařování z plynné fáze (CVD), byly využívany pro výrobu rozsáhlejších kompozitních celků v této habilitační práci. Z těchto vyrovnaných struktur pak byly tažením vyrobeny vodorovně uspořádané různě tlusté vrstvy MWCNT. Tyto vysoce vyrovnané MWCNT vrstvy pak byly použity jako výztuž lehkých MWCNT/polymer kompozitů. Zavedení vyrovnaných MWCNT v polymerních matricích ukazuje nový směr pro vývoj vysoce výkonných kompozitů. Polymerní kompozity vyztužené souběžně srovnanými vrstvami MWCNTs jsou dnes ve středu zájmu, protože jsou považovány za revoluční moderní kompozitní materiály využitelné pro řadu náročných aplikací. viii Lehké kompozity s matricí z epoxidových pryskyřic byly vyrobeny z prepregů zhotovených metodou hot-melt z vhodně uspořádaných MWCNT vrstev. Použití hot-melt metody k výrobě prepregů zajistilo neměnné uspořádání MWCNTs během impregnace pryskyřicí. V rámci výzkumu byly stanoveny mechanické vlastnosti uspořádaných MWCNT vrstev a jejich kompozitů. Přestože kompozity byly vyrobeny z vyrovnaných MWCNT vrstev, jejich mechanické vlastnosti nebyly optimální částečně kvůli zvlnění a nerovnoměrnému napakování MWCNTs. Ke snížení zvlnění a zvýšení hustoty napakování MWCNTs byla vyvinuta metoda tažení a/nebo stlačování vyrovnaných MWCNT vrstev. Tažení a/nebo stlačování vrstev značně zlepšilo mechanické vlastnosti vyrovnaných MWCNT vrstev a kompozitů z nich vyrobených. Zvláště kombinace současného tažení a stlačování je nejúčinnější při výrobě kvalitních MWWCNT vrstev pro výrobu kompozitů s vysokými objemovými podíly MWCNT a s vysokou pevností a tuhostí.