• 碳納米管彈簧

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    碳納米管彈簧

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    碳納米管彈簧是由碳納米管(CNT)制成的彈簧。它們是基于CNT彈性變形的高密度、輕質、可逆能量存儲的替代形式。許多先前對碳納米管機械性能的研究表明,它們具有高剛度、強度和柔韌性。碳納米管的楊氏模量為1TPa,能夠承受6%的可逆拉伸應變,基于這些結構機械彈簧可能會超過現有彈簧的當前儲能能力,并為電化學電池提供可行的替代方案.預計在拉伸載荷下可獲得的能量密度最高,彈簧本身的能量密度大約是鋼彈簧可以達到的能量密度的2500倍,碳納米管中的彈性能量存儲過程包括在施加載荷下使其變形。在移除施加的負載時,從CNT釋放的能量可用于執行機械功。碳納米管具有可逆變形的能力,由它制成的彈簧可以重復充放電循環而不會疲勞。碳納米管彈簧可以存儲彈性應變能,其密度比傳統的鋼制彈簧高幾個數量級。材料中的應變能密度與其楊氏模量和施加應變的平方成正比。當加載多壁納米管(MWCNT)時,施加的大部分載荷由外殼承擔。由于MWCNT的不同層之間的這種有限的負載轉移,單壁納米管(SWCNT)是更有用的彈簧結構材料。

    碳納米管彈簧中的能量儲存

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    用于儲能的彈簧可以由SWCNT或MWCNT制成,這些SWCNT或MWCNT排列成密集的長、對齊的管束,稱為CNT森林,通過化學氣相沉積(CVD)生長。森林可以長到6毫米的高度。變形的CNT需要一個支撐結構來在放電之前承載彈簧的負載。機械彈簧必須與外部機構耦合,以構建功能上有用的電源。當外力施加到彈簧上時,彈簧本身會儲存勢能,但一旦外力移除,彈簧就會在一次快速爆發中釋放能量。一個有效的電源需要在一段時間內儲存能量,僅在需要時釋放能量并以所需的功率水平釋放能量。基于CNT的便攜式電源應具有由四個主要組件組成的基本架構,對于如前所述以稱為森林的組/束排列的碳納米管,管之間需要有效的包裝和良好的對齊以實現高能量密度。需要良好的載荷傳遞和有效的連接技術,以便殼可以加載到接近其彈性極限。選擇適當的變形模式,包括軸向拉伸、軸向壓縮、扭轉或彎曲或其中任何一種組合。選擇變形模式的標準不僅是最高的能量密度,而且是變形彈簧與其他功率耗散機制的適當集成。在釋放之前,需要一個支撐結構來將CNT彈簧保持在完全加載的配置中。支撐結構的設計將取決于彈簧的尺寸、CNT所承受的變形模式以及系統其余部分的架構。為結構選擇的材料應具有高強度,因為增加的支撐質量和體積有助于降低整個系統的能量密度。

    儲能計算

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    軸向張力

    對承受拉伸載荷的CNT進行分析。考慮長度為L、直徑為d和平半徑為r的CNT的中空圓柱形結構。管的厚度為nh,其中n是CNT中的層數,h=0.34nm是一個殼的厚度。CNT材料的楊氏模量為E。在SWCNT的情況下,n=1,在MWCNT的情況下n>1。比率。因此,為了使CNT彈簧達到高能量密度,應使用小直徑的SWCNT或具有密集殼的MWCNT。

    支撐結構

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    使用支撐結構的目的是在釋放使用之前能夠儲存能量。支撐結構應該足夠堅固以支撐所施加的負載(用于壓縮CNT)而不會導致自身失效。還有一點需要考慮的是,組合彈簧和支撐結構的能量密度總是低于單獨的彈簧的能量密度。

    能量密度比較

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    由1nm直徑的SWCNT束組成的CNT彈簧被拉伸到10%的應變,預計其能量密度為3.4×106kJ/m3。受拉負載的碳納米管彈簧的能量密度高于受壓負載的碳納米管彈簧的能量密度。而目前碳鋼表簧的xxx能量密度據報道在1080kJ/m3和3000kJ/m3之間。計算表明,當使用由單晶碳化硅制成的支撐結構時,CNT彈簧的能量密度降低到1×106kJ/m3。即使在考慮了與CNT彈簧能量收集裝置相關的支撐結構和其他能量提取硬件之后,它的能量密度也遠大于機械彈簧,并且與鋰離子電池的能量密度大致相同。

    碳納米管彈簧

    限制能量儲存的失效過程

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    需要大量的碳納米管來存儲大量可用于宏觀過程的能量。為了實現如此大量的能量存儲,碳納米管彈簧必須保持高剛度和彈性。在實踐中,在由CNT組件構成的紗線纖維中具有如此高的剛度和彈性應變是非常困難的,因為它們很少保持單個SWCNT的機械性能。這種行為是由于原子缺陷和組織不完善造成的。彈性加載是可逆能量存儲的首選加載機制,已經進行的實驗表明纖維內的加載偏離了純彈性行為。在給定的應變下,只有一部分碳納米管彈簧有助于承載。由于原子缺陷和纏結的存在,每個CNT內不等量的松弛導致不同的CNT在不同的應變下斷裂。當MWCNTs在張力下加載時,很難抓住它們的內殼。連接到兩端原子力顯微鏡(AFM)尖端的MWCNT的拉伸試驗表明,在外殼發生斷裂的方式是,大部分載荷發生在外殼上,而很少載荷轉移到內殼上。這導致多壁碳納米管的剛度和強度低于它們在殼負載相等時的剛度和強度。

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    詞條目錄
    1. 碳納米管彈簧
    2. 碳納米管彈簧中的能量儲存
    3. 儲能計算
    4. 軸向張力
    5. 支撐結構
    6. 能量密度比較
    7. 限制能量儲存的失效過程

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