Σύνθεση νανοσωλήνων άνθρακα με χημική απόθεση ατμών για προηγμένες εφαρμογές

Abstract

Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) βρίσκουν πληθώρα προηγμένων εφαρμογών, λόγω των εξαιρετικών δομικών, ηλεκτρικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους. Ο κύριος στόχος της συγκεκριμένης μεταπτυχιακής εργασίας είναι η σύνθεση νανοσωλήνων άνθρακα μέσω χημικής απόθεσης ατμών για προηγμένες εφαρμογές. Η παρούσα εργασία αποτελείται από τρία κύρια μέρη. Το πρώτο μέρος ασχολείται με την σύνθεση νανοσωλήνων άνθρακα μέσω χημικής απόθεσης ατμών, χρησιμοποιώντας καμφορά (C10H16O) ως πηγή άνθρακα και φερροκένιο ως καταλύτη. Μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας ανάπτυξης καθώς και της ροής του φέροντος αερίου στην ποιότητα του ανθρακούχου υλικού που αποτέθηκε. Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), περίθλαση ακτινών Χ (XRD), θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) και φασματοσκοπία Raman χρησιμοποιήθηκαν με σκοπό να διερευνηθούν οι βέλτιστες συνθήκες για την ανάπτυξη των CNTs. Στα πλαίσια των συγκεκριμένων πειραματικών συνθηκών που μελετήθηκαν, παραγωγή CNTs (διάμετρος ~60nm) επιτεύχθηκε για θερμοκρασία ανάπτυξης 800o C, ροή φέροντος αερίου 330 ml/min και αναλογία καμφοράς/φερροκένιου ίση με 20:1. Οι CNTs που παρήχθησαν παρουσίασαν μικρότερο βαθμό κρυσταλλικότητας σε σύγκριση με δείγμα εμπορικών CNTs. Το δεύτερο μέρος ασχολείται με την μελέτη της μικροδομής και των μηχανικών ιδιοτήτων συγκολλημένων δια τριβής μέσω ανάδευσης (FSW) ανόμοιων κραμάτων του αλουμινίου (AA5083-H111 και AA6082-T6) χρησιμοποιώντας νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) ως μέσο ενίσχυσης, με την τεχνική της νανοδιείσδυσης. Η διασπορά των CNTs στην μήτρα ήταν σχεδόν ομοιόμορφη. Η μέση τιμή της κατανομής του μέτρου ελαστικότητας ήταν κοντά σε αυτή των μετάλλων βάσης. Στην ζώνη ανάδευσης, παρατηρήθηκαν αυξημένες κατά ~10% τιμές σκληρότητας λόγω της παρουσίας του μέσου ενίσχυσης. Το τρίτο μέρος ασχολείται με την μελέτη των νανομηχανικών ιδιοτήτων πολυστρωματικών υβριδικών νανοσυνθέτων υλικών. Πειράματα νανοδιείσδυσης πραγματοποιήθηκαν σε διαφορετικούς τύπους πολυστρωματικών νανοσυνθέτων και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μηχανική απόκριση του συνθέτου εξαρτάται από την φύση των εσωτερικών στρωμάτων. Συγκεκριμένα, το TNTs (primer layer)–Epoxy–CNTs (external layer) νανοσύνθετο παρουσίασε βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες συγκρινόμενο με τους άλλους συνδυασμούς και μπορεί να θεωρηθεί η πιο λειτουργική δομή.

Carbon nanotubes (CNTs) have received a great deal of attention due to their various advanced potential applications, deriving from their extraordinary structural, electronic and mechanical properties. The main objective of this thesis is the synthesis of carbon nanotubes (CNTs) via chemical deposition (CVD) method for advanced applications. This thesis consists of three main parts. In the first part, CNTs were synthesized via chemical vapor deposition using camphor (C10H16O) as carbon source and ferrocene as catalyst compound. The influence of growth temperature and carrier gas (N2) flow on quality of carbonaceous material deposited was studied. Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray analysis (XRD), Thermogravimetric analysis (TGA) and Raman spectroscopy are used in order to investigate the optimum conditions for the CNTs growth. Under the present experimental conditions, production of CNTs (mean external diameter ~60nm) was obtained at 800o C growth temperature, 330 ml/min carrier gas flow and 20:1 camphor/ferrocene mass ratio. The synthesized CNTs exhibit lower crystallinity and purity compared with the reference sample of commercial CNTs. In the second part the microstructural and mechanical properties of dissimilar friction stir butt welds of AA5083-H111 and AA6082-T6 plates using CNTs as reinforcements were investigated, through nano- indentation technique. The distribution of CNTs in the weld region was quasi-homogeneous. The mean average young’s modulus distribution was near to this of the parent materials. However, the stir zone exhibit 10% higher nano-hardness values than the AA5083-H111 parent material, due to the CNTs addition. In the third part, the aim was the investigation of nanomechanical properties of multilayered hybrid nanocomposites. Nanoindentation tests were performed on the different multilayered types of nanocomposites and the results showed that the measured properties depended on the type of the underlying substrates. The TNTs (primer layer)–Epoxy–CNTs (external layer) nanocomposite presented improved mechanical properties in comparison to all other combinations and it can be considered the most efficient structure.