Articole originale

  • Articol complet
  • Cifre și date
  • Referințe
  • Citații
  • Valori
  • Licențierea
  • Reimprimări și permisiuni
  • PDF

ABSTRACT

Aplicațiile adaptive viitoare necesită materiale ușoare și rigide, cu o tensiune activă ridicată, dar cu un consum redus de energie. O combinație adecvată a acestor proprietăți este oferită de dispozitivele de acționare pe bază de nanotuburi de carbon. Hârtiile din nanotuburi de carbon (CNT) sunt încărcate într-un electrolit, ceea ce duce la un câmp electric care formează un strat dublu de ioni la suprafața lor și poate fi detectată o deviere a hârtiei. Până în prezent, nu există o teorie general acceptată pentru mecanismul de acționare. Acest studiu se concentrează pe mecanismul de acționare a lucrărilor CNT, care reprezintă arhitecturile CNT orientate aleatoriu. Probele au fost testate electrochimic într-un set în plan pentru a detecta tulpina liberă. Modulul elastic al lucrărilor CNT este analizat într-o instalație de testare la tracțiune. Este investigată influența diferitelor dimensiuni ale ionilor de electroliți pe bază de apă.

acționarea

În timpul testelor, au fost identificați patru parametri care au o influență semnificativă asupra performanței mecanice a hârtiei CNT: condițiile de testare, încărcarea electrică, microstructura și dimensiunea ionului. Toți acești factori de influență indică legătura inter-tub slabă mecanic la care acționarea pare să aibă loc. Corelația quadratică tensiune-tensiune sugerează o combinație de efecte electrostatice și volumetrice ca posibil motiv pentru acționarea hârtiei CNT.

Abrevieri: CNT: nanotuburi de carbon; CV: voltametrie ciclică; CVD: depunere chimică de vapori; HiPCO: monoxid de carbon de înaltă presiune; IL: lichid ionic; MWCNT: nanotub de carbon cu pereți multipli; MW: cu pereți multipli; NHE: electrod normal de hidrogen; PDMS: polidimetilsiloxan; PMMA: polimetilmetacrilat; PPy: polipirol; PVDF: fluorură de poliviniliden; SCE: electrod de calomel saturat; SWCNT: nanotub de carbon cu pereți unici; SW: cu un singur perete; 1M: o concentrație molară

1. Introducere

Publicat online:

Figura 1. Prezentare generală a măsurătorilor de hârtie CNT publicate efectuate într-o configurație în plan [8, 13 - 16, 18].

Figura 1. Prezentare generală a măsurătorilor de hârtie CNT publicate efectuate într-o configurație în plan [8, 13 - 16, 18].

Informații suplimentare despre seturi, cum ar fi tipul de electrod de referință (electrod saturat de calomel, SCE sau electrod normal de hidrogen, NHE), electrolitul utilizat și tipul și furnizorul nanotuburilor de carbon sunt date în tabelul 1 pentru o mai bună compararea rezultatelor.

Publicat online:

Tabelul 1. Prezentare generală a detaliilor experimentale ale testelor prezentate în Figura 1. Toți electroliții utilizați sunt testați ca o concentrație de un molar (1 M). Suspendarea testelor marcate cu un asterisc () sunt omogenizate (cantitate redusă de aglomerate) prin centrifugare.

O abordare la scară chiar mai nanoscopică pentru a identifica motivul acționării hârtiei a fost realizată de Gupta [20], utilizând spectroscopia Raman. Spectroscopia Raman este o metodă sensibilă pentru detectarea modificărilor structurii atomice a unui singur tub de carbon. Abordarea sa nu a oferit alte detalii, deoarece semnalele prea multor pereți de carbon diferiți s-au suprapus, disimulând orice detaliu semnificativ. Cu toate acestea, investigațiile Raman folosind nanotuburi de carbon unice [21 - 24] și testele folosind microscopia atomică [25] au relevat o schimbare dimensională a structurii carbonului în sine indusă de sarcină sau de ioni. Interesant este că investigațiile au relevat, de asemenea, o corelație pătratică între schimbarea structurii atomice și tensiunea aplicată. Datorită unui număr de efecte diferite, cum ar fi reducerea intensității de vârf la potențiale electrice mai mari, efectul nu poate fi atribuit cu certitudine absolută unei modificări a legăturii de carbon. Cu toate acestea, din punct de vedere științific, există multe indicații că CNT-urile au intrinsec capacitatea de a lucra ca actuatori.

Acest studiu tratează influența dimensiunii ionilor și a structurii hârtiei asupra acționării arhitecților bazate pe CNT, cum ar fi hârtiile CNT. Folosind două set-up-uri, sunt analizate proprietățile active și mecanice ale lucrărilor CNT. În consecință, toate măsurătorile sunt efectuate folosind două abordări diferite pentru testarea probelor:

Prima abordare se referă doar la un singur eșantion CNT care este utilizat pentru toate testele cu diferiți electroliți. Această abordare prezintă riscul ca electroliții să poată fi contaminați după prima serie de teste din cauza ionilor reziduali de electroliți testați anterior în porii probei. Mai mult, o degradare mecanică a probei poate avea loc la fiecare test.

În a doua abordare, se utilizează probe separate pentru fiecare electrolit. Deși toate sunt tăiate din aceeași hârtie CNT master, ele pot diferi unele de altele în ceea ce privește proprietățile lor electrice și mecanice.

Urmând aceste două abordări și comparând rezultatele acestora, se abordează identificarea efectelor structurale și influența dimensiunilor ionilor.

2. Abordare experimentală, procedură de testare și evaluare

Următoarele subsecțiuni tratează toate aspectele testării, de la pregătirea eșantionului, prezentarea electroliților utilizați, configurările testului și procedura de testare până la formulele matematice utilizate.

2.1. pregătirea unei mostre

2.2. Razele ionice ale electroliților testați și procedura de testare

Hârtiile CNT sunt scufundate într-o soluție apoasă, un molar, de diverse săruri, timp de cel puțin 30 de minute, pentru a garanta saturația. Se folosesc șase electroliți apoși unici molari: clorură de sodiu (NaCl, Merck KGaA, Germania), clorură de potasiu (KCl, Synopharm GmbH & Co. KG, Germania), clorură de magneziu hexahidrat (MgCl2 & H O, Synopharm GmbH & Co. KG, Germania), azotat de sodiu (NaNO3, Fluka Analytical GmbH - acum Honeywell International Inc., SUA) și sulfat de sodiu (Na2SO4, Sigma-Aldrich Inc. - acum Merck KGaA, Germania). Experimentele se concentrează pe diferențele de acționare electromecanică atunci când se utilizează ioni diferiți. Pe partea potențială pozitivă, ionul negativ Cl - este menținut constant în timp ce se compară cei trei ioni pozitivi Na +, K + și Mg 2+. În ceea ce privește potențialul negativ, ionul Na + a fost menținut constant, în timp ce contra-ionii săi au fost variați (Cl -, NO și SO). Razele ionice eficiente și hidratate conform [42] sunt date în Tabelul 2.