Structure-property relationship in vertically aligned carbon nanotube forests

Carbon nanotubes (CNTs) are known to have remarkable properties, such as specific strength two orders of magnitude higher than that of steel. It has remained a challenge, however, to fabricate CNT macroscopic structures while preserving the excellent properties of the individual CNTs. Toward this goal, structure-property relationship in vertically aligned carbon nanotube (VACNT) structures (forests) are investigated by acting on both large (millimeter) and small (micrometer) material architects. Techniques are developed to fabricate CNT-based composite materials, and to control the microstructural organization of the VACNT forests. The quasi-static and dynamic compressive properties of VACNT forests are examined. The analysis reveals interesting features in the mechanical response, such as strain localization, recovery from large deformation, nonlinear viscoelasticity, and high energy absorption capability. The partial embedding of VACNT forest between thin Poly(dimethylsiloxane) (PDMS) layers and bucky paper modifies the viscoelastic response, enhances the structural stability of VACNT forest, and affects the deformation mechanism (buckling mode). VACNTs can be organized into well-ordered microstructures by synthesizing CNTs on substrates patterned with different growth templates: circles, lines and concentric rings. The control of the micro-scale geometry of these foams allows tuning their behavior to specific application-driven needs. To study the effects of the microstructural geometry on the bulk mechanical response of the forests, the samples are tested under cyclic quasi-static compressive deformation (up to 50% strain). The geometry of the patterns plays a fundamental role on the samples’ macroscopic energy absorption capability, maximum stress, and strain recovery. Patterned CNT structures demonstrate mechanical properties comparable or improved over non-patterned, bulk CNT forests, but with much lower density. Quasi-static compressive tests performed on different patterned structures with the same effective density exhibit considerably different responses. For example, the stress reached by forests patterned in concentric rings is ~15 times higher than that observed for pillars and lines. The results show how the mechanical response of CNT forests can be tailored by varying the CNT microstructural architecture. At high strain-rate (impact tests) VACNT microstructures show different stress-strain responses. Results show that both the structural architecture and the impact velocity largely affect the deformation mechanism. In addition, the change of the micro-architecture allows tuning the energy absorption capacity and the strain rate sensitivity. Next, VACNT forests are coated with calcium phosphate (hard and brittle material) and chitosan (soft and compliant polymeric material) by electrochemical deposition technique. The resultant organic-inorganic hybrid composite is investigated under quasi-static and dynamic compressive tests. Results show that the control of the deposited material on VACNTs allows tuning their mechanical response, in terms of energy absorption, maximum stress, and deformation mechanism. For example, under quasi-static compression, the loading modulus of Ca-P-modified VACNTs is up to ~9 times higher than that measured for the unmodified structure, and the hybrid composites dissipate up to ~250% more energy than the unmodified structures.

I nanotubi di carbonio (CNTs) hanno eccezionali proprietà chimiche, elettriche e meccaniche. Tuttavia, la fabbricazione di strutture macroscopiche di nanotubi di carbonio capaci di mantenere le eccezionali proprietà del singolo nanotubo, rappresenta ancora oggi una sfida. Allo scopo di raggiungere tale goal, la relazione struttura-funzione nelle foreste di nanotube di carbonio verticalmente allineati (VACNTs) è stata investigata agendo a livello millimetrico e micrometrico sull’ architettura del materiale. Varie tecniche sono state sviluppate allo scopo di fabbricare materiali compositi a base di CNTs, e al fine di controllare la microstruttura delle foreste di VACNTs. Le foreste di nanotubi di carbonio sono state sottoposte a prove di compressione in quasi-statica e dinamica. I risultati evidenziano interessanti pecularietà nella risposta meccanica, come per esempio la localizzazione della deformazione, il recupero da larghe deformazioni, la viscoelasticità nonlineare, e un’ alta capacità di assorbire energia. L’ancoraggio delle due estremità della foresta di nanotubi a films sottili di Poly(dimethylsiloxane) (PDMS) e bucky paper modifica la risposta viscoelastica, migliora la stabilità strutturale della foresta di VACNTs, e modifica il meccanismo di deformazione. VACNTs possono essere organizzati in microstrutture altamente organizzate attraverso la sintesi di CNTs su substrati che presentano patterns differenti: cerchi, line ed anelli concentrici. Il controllo della geometria delle foreste di nanotubi su scala microscopica consente di controllare la risposta meccanica di quest’ultime. Allo scopo di studiare gli effetti della geometria sulla risposta meccanica delle foreste, i provini sono testati a prove cicliche di compressione (fino ad una deformazione del 50%). La geometria del pattern gioca un ruolo fondamentale sull’assorbimento energetico, sullo sforzo massimo, e sulla capacità di recupero delle strutture. Le microstrutture di CNTs mostrano proprietà meccaniche paragonabili o persino migliori rispetto alle strutture senza patterns, foresta di CNTs, ma con una densità molto inferiore. I tests di compressione quasi-statici effettuati su strutture (con patterns) aventi stessa densità esibiscono risposte meccaniche considerevolmente differenti. Per esempio, lo sforzo raggiunto dalle strutture fatte di anelli concentrici è circa 15 volte piu’ alto di quello osservato nei pillars e nelle linee. I risultati mostrano come la risposta meccanica delle foreste di CNTs possa essere controllata variando la microstruttura. Ad alte velocità di deformazione, le microstrutture di VACNTs mostrano risposte sforzo-deformazione differenti. I risultati mostrano che entrambe, l’organizzazione e la velocità di impatto influenzano il meccanismo di deformazione. Inoltre, il cambiamento della microstruttura consente il controllo della capacità di assorbire energia a la sensitività alla velocita’ di deformazione. Per concludere, foreste di VACNTs sono rivestite con calcio fosfato (materiale duro e fragile) e chitosano (materiale polimerico molle e deformabile) attraverso deposizione elettrochimica. Il composto ibrido organico-inorganico è investigato tramite tests di compressione in quasi-statica e dinamica. I risultati mostrano che variando il materiale depositato, è possibile controllare la risposta meccanica in termini di assorbimento di energia, di sforzo massimo e di meccanismo di deformazione. Per esempio, il modulo delle foreste di VACNTs modificate con calico fosfato è circa 9 volte piu’ alto di quello misurato nelle strutture non modificate.