[논문 리뷰] Condensed Multiwalled Carbon Nanotubes as Super Fibers

Zhiping Xu, Lifeng Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2006. 06. 05.

Carbon Nanotubes in CompositesMaterials Science인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 다중벽 탄소 나노튜브(MWNTs)의 상호벽 간 간격을 압축하여 압축 다중벽 탄소 나노튜브(CMWNTs)를 제안하며, 이로 인해 상호벽 간 마찰 강도가 수 개의 주기만큼 급격히 향상되어 뛰어난 인장 강도와 탄성 모odulus를 달성한다. 원자 척도 시뮬레이션은 CMWNTs가 2,000 K까지도 구조적 안정성을 유지하며, 우주 엘레베이터와 고성능 복합재에 이상적인 초강력 섬유로 제안된다.

ABSTRACT

The ultra-low intershell shear strength in carbon nanotubes (CNTs) has been the primary obstacle to applications of CNTs as mechanical reinforcements. In this paper we propose a new CNT-system composed of comprising of coaxial cylindrical shells of sp2-bonded carbons with condensed intershell spacings. Our atomistic calculations show that such condensed multiwalled carbon nanotubes (CMWNTs) can greatly enhance intershell shear strengths by several orders, and can simultaneously generate higher tensile strengths and moduli respectively than those of ordinary CNTs. It has further shown that CMWNTs can maintain thermally stable up to 2,000 K. By taking advantage of the primary enhancement mechanism of CMWNTs, a method of producing CMWNTs is therefore proposed tentatively. It is believed that CMWNTs featured with those properties can be taken as excellent candidates of super fibers for creating space elevators.

연구 동기 및 목표

• 기존 다중벽 탄소 나노튜브(MWNTs)에서 매우 낮은 상호벽 간 마찰 강도로 인해 케이지 간 하중 전달이 효과적으로 이루어지지 않는 이슈를 해결한다.
• 탄소 나노튜브(CNTs)의 이론적 잠재력과 실용적 성능 사이의 격차를 해소하여, 특히 우주 엘레베이터 코드에 대한 하중 지속 응용 분야에서의 성능을 향상시킨다.
• 상호벽 간 간격을 압축하여 기계적 성질을 향상시킨 새로운 CNT 구조인 압축 다중벽 탄소 나노튜브(CMWNTs)를 개발한다.
• CMWNTs를 대량으로 실현하기 위한 실현 가능한 제조 방법으로 전자선 조사 및 열처리를 제안한다.
• CMWNTs가 특정 인장 강도 48.5 GPa를 초과하여 달성할 수 있음을 입증하여, 우주 엘레베이터 코드에 필요한 엄격한 요구 조건을 충족시킨다.

제안 방법

• 원자 척도 시뮬레이션을 통해 분자 동역학 및 처음 원리 계산을 이용하여 상호벽 간 간격을 0.34 nm에서 0.22–0.28 nm로 감소시킨 CMWNTs의 기계적 성질을 평가한다.
• 상호벽 간 마찰 강도를 지수적 의존성 법칙으로 모델링한다: 비틀림형 튜브의 경우 τ(s) = A exp(B(0.353 - s))이며, 나선형 튜브의 경우 τ(s) = A exp(B(0.341 - s))이다. 여기서 s는 상호벽 간 간격을 의미한다.
• 순환력(N_i)과 상호벽 압력(p_{i-1,i}, p_{i,i+1}) 간의 힘 평형 분석을 통해 압축된 구조의 기계적 안정성 메커니즘을 설명한다.
• 정준집합 조건 하에서 최대 3,000 K까지의 열적 안정성을 시뮬레이션하여 구조적 무결성과 상전이를 평가한다.
• 방사선 재구성 과정을 조사한다: 약 600 °C에서 전자선 조사로 탄소 온이온 내 결함과 빈자리 생성을 유도하고, 이후 열처리를 통해 순환 방향 수축과 상호벽 간 압축을 유도한다.
• 비틀림형과 나선형 双벽 탄소 나노튜브 간의 공명 효과를 비교하여 나선형의 기계적 강도 향상에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중벽 탄소 나노튜브의 상호벽 간 간격을 줄이면 상호벽 간 마찰 강도와 인장 성질이 크게 향상될 수 있는가?
• RQ2 상호벽 간 간격의 압축이 다중벽 CNTs의 기계적 안정성과 하중 전달 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고온 조건에서 압축 다중벽 탄소 나노튜브의 열적 안정성 한계는 무엇인가?
• RQ4 나선형이 압축된 CNTs의 상호벽 간 마찰 강도 향상에 중대한 영향을 미치는가?
• RQ5 방사선 재구성 과정은 압축 다중벽 탄소 나노튜브를 대량 생산하기 위한 타당한 방법이 될 수 있는가?

주요 결과

• 상호벽 간 간격을 0.22–0.28 nm로 감소시킨 CMWNTs는 기존 MWNTs(약 0.3–0.66 MPa의 마찰 강도)에 비해 수 개의 주기만큼 상호벽 간 마찰 강도가 급격히 향상된다.
• CMWNTs의 상호벽 간 마찰 강도는 간격에 따라 지수적 의존성을 보이며, 비틀림형 튜브의 경우 τ(s) = 0.0421 exp(53.79(0.353 - s)) GPa, 나선형 튜브의 경우 τ(s) = 0.000469 exp(95.08(0.341 - s)) GPa이다.
• CMWNTs는 2,000 K까지도 구조적 안정성을 유지한다; 이 이상일 경우 내부의 (5,0) 케이지가 sp³ 결합을 가진 다이아몬드 나노와이어로 변형되며, 3,000 K에서는 이중벽 코어 (5,0)@(11,0)가 완전히 다이아몬드 나노와이어로 전환된다.
• 전자선 조사(약 600 °C) 후 열처리를 통한 방사선 재구성 과정은 결함 유도 수축과 상호벽 간 압축을 유도하여, CMWNTs의 대량 생산을 가능하게 한다.
• 나선형의 영향은 미미하다: 일반적인 비틀림형과 나선형 이중벽 튜브 간 마찰 강도의 두 배수 차이가 있음에도 불구하고, 약 0.22 nm 간격을 가진 압축된 CMWNTs는 거의 동일한 강도를 보인다.
• 이중에서 오성까지의 CMWNTs의 에너지 최적화 구조 분석 결과, 내부 케이지 제거 시 상호벽 강도에 유의미한 향상이 없음을 확인하여, 핵심 메커니즘은 케이지 수가 아니라 상호벽 간 압축에 있음을 입증한다.