Les scientifiques calculent comment les nanotubes de carbone et leurs fibres subissent la fatigue

Les chercheurs de l'Université Rice ont découvert que le chargement cyclique des fibres de nanotubes entraîne un cliquet de déformation qui peut éventuellement conduire à la défaillance de la fibre. Crédit :Nitant Gupta et Evgeni Penev / Yakobson Research Group

Ici, dans le monde macro, nous ressentons tous de la fatigue de temps en temps. Il en va de même pour les faisceaux de nanotubes de carbone, quelle que soit la perfection de leurs composants individuels.

Une étude de l'Université Rice calcule comment les contraintes et les contraintes affectent à la fois les nanotubes "parfaits" et ceux assemblés en fibres et a constaté que si les fibres sous des charges cycliques peuvent échouer avec le temps, les tubes eux-mêmes peuvent rester parfaits. La durée pendant laquelle les tubes ou leurs fibres supportent leur environnement mécanique peut déterminer leur caractère pratique pour les applications.

Cela a rendu l'étude, qui apparaît dans Science Advances , important pour le théoricien des matériaux de Rice Boris Yakobson, l'étudiant diplômé Nitant Gupta et le professeur de recherche adjoint Evgeni Penev de la George R. Brown School of Engineering de Rice. Ils ont quantifié les effets du stress cyclique sur les nanotubes à l'aide de techniques de simulation de pointe comme la méthode cinétique de Monte Carlo. Ils espèrent donner aux chercheurs et à l'industrie un moyen de prédire combien de temps les fibres de nanotubes ou d'autres assemblages peuvent durer dans des conditions données.

"La dépendance au temps de la résistance ou de l'endurance d'un nanotube individuel a été étudiée il y a longtemps dans notre groupe, et maintenant nous envisageons ses implications dans le cas du chargement cyclique des tubes et de leurs fibres, ou des assemblages en général", a déclaré Penev. "Récemment, quelques expériences ont rapporté que les nanotubes de carbone et le graphène subissent une défaillance catastrophique due à la fatigue sans dommage progressif. C'était assez curieux et surprenant pour raviver l'intérêt et nous a finalement conduits à terminer ce travail."

Une simulation montre l'effet d'une contrainte axiale sur un faisceau de nanotubes de carbone sur 10 cycles. Les chercheurs du riz calculent comment les contraintes et les contraintes cycliques affectent les nanotubes et décrivent comment les fibres sous des charges cycliques peuvent se rompre avec le temps. Crédit :Nitant Gupta

Les nanotubes de carbone parfaits, considérés comme l'une des structures les plus solides de la nature, ont tendance à le rester à moins qu'un impact dramatique ne profite de leur nature fragile et ne les brise en morceaux. Les chercheurs ont découvert, grâce à des simulations à l'échelle atomique, que dans des conditions ambiantes et même lorsqu'ils sont pliés ou déformés, les nanotubes supportent bien le stress de routine. Lorsque des défauts ponctuels (ou défauts de Stone-Wales) apparaissent spontanément, les effets sur ces nanotubes "infatigables" sont négligeables.

Ils ont découvert que les mêmes principes s'appliquent au graphène sans tache.

Mais lorsque des millions de nanotubes sont regroupés dans des fibres filiformes ou dans d'autres configurations, la force de van der Waals qui lie les nanotubes parallèles les uns aux autres n'empêche pas le glissement. Plus tôt cette année, les chercheurs avaient démontré comment le frottement entre les tubes conduit à des interfaces plus solides entre les nanotubes et est responsable de leur incroyable résistance. À l'aide de ce modèle, ils ont maintenant testé comment la fatigue peut s'installer sous des charges cycliques et comment cela conduit finalement à une défaillance.

Les chercheurs de l'Université Rice ont déterminé plusieurs façons dont un nanotube subit une rupture plastique, soit par un mouvement de dislocation sous une contrainte de 6 % (en haut), soit par une bande de cisaillement formation sous une contrainte de 14 % (en bas). Les deux mécanismes, observés dans les simulations cinétiques de Monte Carlo, ne s'activent que dans des conditions extrêmes, de sorte qu'aucun ne semble être un facteur significatif de fatigue des nanotubes. Crédit :Nitant Gupta / Yakobson Research Group

Chaque fois qu'une fibre de nanotube est étirée ou tendue, elle retrouvera principalement sa forme d'origine une fois la tension relâchée. "La plupart du temps" est la clé ; il reste un peu de glissement résiduel, et cela peut augmenter à chaque cycle. C'est la plasticité :déformation avec récupération irréversiblement incomplète.

"Le chargement cyclique de la fibre de nanotube fait glisser les tubes voisins ou les uns vers les autres, selon la partie du cycle dans laquelle ils se trouvent", a expliqué Gupta. "Ce glissement n'est pas égal, provoquant une accumulation de déformation globale à chaque cycle. C'est ce qu'on appelle le cliquet de déformation, car la déformation globale augmente toujours dans une direction, tout comme un cliquet se déplace dans une seule direction."

Les chercheurs ont noté que les fibres de pointe devraient être capables de surmonter le risque de défaillance en survivant à l'inévitable glissement.

"Comme nous le savons, certaines des meilleures stratégies de production de fibres de nanotubes peuvent conduire à une résistance à la traction supérieure à 10 gigapascals (GPa), ce qui est incroyable pour leur application dans la vie quotidienne", a déclaré Gupta. "Nous avons également découvert à partir de nos tests que leur limite d'endurance peut être de 30 % à 50 %, ce qui signifie qu'au moins jusqu'à 3 GPa, les fibres peuvent avoir une durée de vie pratiquement infinie. C'est prometteur pour leur utilisation en tant que matériaux structurels à faible densité." + Explorer plus loin