Microstructure-properties relations for hierarchically structured cnt fibres

Uno de los retos mas importantes dentro del mundo de los nanotubos de carbono consiste en la transferencia de sus incomparables propiedades mecanicas de la escala nano a la escala macroscopica. En este sentido, el ensamblaje de nanotubos en forma de fibra busca sacar partido del caracter anisotropo de los tubos. De esta manera, cabria esperar que dicha transferencencia de propiedades seria altamente eficiente. Sin embargo, el ensablaje de nanotubos en una estructura macroscopica da lugar a morfologias jerarquicas altamente complicadas. Asi, el comportamiento final de la fibra de nanotubos es el resultado de muchas variables actuando simultaneamente a diferentes escalas. Este es el hecho que convierte la caracterizacion de fibras de nanotubos de carbono en un verdadero reto. En este sentido, la investigacion llevada a cabo a lo largo de esta tesis busca establecer los mecanismos fisicos que se encuentran detras del comportamiento mecanico de la fibra y, de esta manera, desarrollar un modelo propio. Con este fin, se ha establecido un paralelismo entre la fibra de nanotubos y fibras polimericas y de carbono. Asi, la fibra se asemeja a una red de madejas de nanotubos distribuidos a lo largo del eje de la fibra siguiendo una funcion de distribucion de orientaciones. De esta manera, las propiedades mecanicas de la fibra estan fuertemente influenciadas por el grado de alineamiento de esta y, por tanto, este parametro necesita ser muy bien caracterizado mediante el uso de tecnicas sofisticadas como la espectroscopia Raman o la difraccion de rayos-x. De esta manera, el alineamiento inducido durante el ensayo mecanico de la fibra puede ser seguido a traves de ensayos in-situ. Finalmente, las fibras han sido fabricadas siguiendo un proceso CVD modificado. Como consecuencia, estas muestras poseen un fuerte comportamiento elastoplastico. Este, ha sido explicado en base a un decaimiento progresivo de la resistencia al alineamiento por parte de la fibra. De acuerdo a los ensayos de difraccion de rayos x llevados a cabo in-situ, este decaimiento sigue una funcion de distribucion de Weibull. De esta manera, el alineamiento de los tubos aparece como el elemento fundamental a la hora de explicar el comportamiento mecanico de la fibra. Asi, toda la energia utilizada en estirarla es directamente empleada en alinear los nanotubos dentro de ella. De acuerdo a este analisis, hemos sido capaces de estimar de manera bastante ajustada el esfuerzo maximo cortante entre los tubos de la fibra. ----------ABSTRACT---------- One of the most exciting challenges in the feld of carbon nanotubes (CNTs) is the transference of their outstanding mechanical properties to the macroscale. In this regard, one of the most successful approaches have consisted on their assembly in the shape of a fibre. Thus, their inherent anisotropic behaviour can be fully exploited. However, the arrangement of nanotubes in a macroscopic fibre leads to a complex morphology based on the existence of hierarchical levels. Therefore, the fnal behaviour is the result of the confuence of many variables coming from different scales. This is the reason why the characterization of CNT fibres in terms of morphological features appears as a challenging task. In this research work we have been focused on establishing the physical mechanisms that lie behind the mechanical behaviour of CNT fibres and to develop a proper model in this regard. For this purpose, CNT fibres have been compared with polymer and carbon fibres. Accordingly, they have been idealized as an assembly of fbril-like CNT bundles oriented along the fibre’s axis according to an orientation distribution function (ODF). Hence, the fnal mechanical properties are strongly dependent of the degree of alignment of bundles and, therefore, this parameter needs to be properly measured. For this purpose, synchrotron source x-ray scattering plus Raman spectroscopy have been used. Thus, changes on the orientation induced by tensile stretching can be monitored by means of in-situ mechanical experiments. Finally, CNT fibres fabricated in this work have been made by a modifed CVD process. These samples behave according to a strong elastoplastic behavior which has been explained in terms of a progressive decaying shear modulus. In this regard, in-situ SAXS/WAXS measurements have confrmed a Weibull type distribution function. This fact has pointed out to the alignment as the key parameter in terms of explaining the mechanical behaviour of CNT fibres. Thus, all the energy used to stretch the fibre is, in turn, used on the mechanical alignment of nanotubes along the axis. Accordingly, we have been able to estimate quite accurately the maximum strength reached by a CNT bundle just before fail under shear.