Исследование механических и электрических свойств углеродных нанотрубок с учетом особенностей взаимодействия с подложкой и матрицей в композиционных материалах. По заданию 2.2.02: ГПНИ «Функциональные и композиционные материалы, наноматериалы», подпрограмма «Наноматериалы и нанотехнологии» : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ ; научный руководитель Г. И. Михасёв

Abstract

Объекты исследования: углеродные нанотрубки, графен, полимерные композиты с углеродными нанотрубками в качестве наполнителя, композиционные наноматериалы из однослойных углеродных нанотрубок и нанотрубок из дисульфида вольфрама. Цель исследования: разработка дискретных и континуальных математических моделей углеродных нанотрубок и графена, исследование их механических свойств; расчет напряженно-деформированного состояния внедренных в упругую матрицу многостенных углеродных нанотрубок при различных схемах нагружения; исследование локализованных форм собственных колебаний многостенных углеродных нанотрубок в неоднородной упругой матрице при наличии ослабляющих связей между атомами углеродной нанотрубки и окружающей матрицы; исследование потери устойчивости многостенных углеродных нанотрубок, внедренных в упругую среду, с учетом действия внешних сил и реакции среды; исследование электропроводности слоев УНТ и композиционных материалов с УНТ в качестве наполнителя, определение механизмов транспорта заряда в них с учетом особенностей взаимодействия с подложкой и матрицей. Методы: виртуальное дискретное моделирование, континуальное моделирование с использованием нелокального закона физического состояния и теории ортотропных цилиндрических оболочек; асимптотические методы; измерение вольтамперных характеристик, зависимостей сопротивления от температуры, зависимостей действительной и мнимой частей импеданса от частоты переменного тока. Результаты исследования: разработаны методики оценки напряженно-деформированного состояния одностенной углеродной нанотрубки, внедренной в неоднородную упругую среду, под действием осевых сил, а также многостенных углеродных нанотрубок под действием осевого сжатия и радиального давления с учетом реакции упругой среды. Предложена методика определения собственных частот колебаний двухстенной углеродной нанотрубки, внедренной в неоднородную упругую среду. Проведены расчеты НДС моделей образцов УНТ и графена, подвергающихся растяжению при наличии в них дефектов в виде вакансий. Обнаружен эффект предельной локализации напряжений вокруг дефекта, когда увеличение сил происходит в связях, непосредственно примыкающих к нарушению регулярности строения. Установлены механизмы транспорта заряда в пленках из углеродных нанотрубок, полимерных композитах с различным содержанием углеродных нанотрубок в качестве наполнителя (в диапазоне 0.25-1 масс.%), а также в композиционных материалах, состоящих из углеродных нанотрубок и неорганических нанотрубок (наночастиц) дисульфида вольфрама. Показана возможность управляемого изменения электропроводности нанокомпозитов. Продемонстрирована возможность создания датчиков влажности на основе пленок из углеродных нанотрубок, нанесенных на контактные структуры различной геометрии. Степень внедрения: результаты НИР внедрены в учебный процесс в БГУ. Область применения: в научных и конструкторско-технологических учреждениях, ориентированных на проектирование: 1) защитных износостойких композиций с использованием УНТ, работающих в агрессивных средах, 2) датчиков влажности на основе пленок из углеродных нанотрубок, 3) экранов и фильтров электромагнитного излучения на основе композиционных наноматериалов с углеродными нанотрубками в качестве наполнителя; в учебном процессе в учреждениях образования для студентов специальностей «Механика», «Физика».