Os nanotubos de carbono (CNTs) e suas fibras são materiais promissores para uma ampla gama de aplicações devido às suas excepcionais propriedades mecânicas e elétricas. No entanto, o seu desempenho é muitas vezes limitado pelo seu comportamento à fadiga, que é o dano progressivo e localizado que ocorre sob carregamento cíclico. Compreender e prever o comportamento à fadiga dos CNTs e suas fibras é essencial para garantir sua confiabilidade em diversas aplicações.

Num estudo recente, os cientistas desenvolveram uma estrutura computacional abrangente para calcular o comportamento de fadiga dos CNTs e das suas fibras. A estrutura combina simulações atomísticas, mecânica contínua e análise estatística para prever com precisão a vida em fadiga e os mecanismos de falha desses materiais. As principais conclusões do estudo fornecem informações valiosas sobre o comportamento de fadiga dos CNTs e suas fibras:

1. Previsão de vida em fadiga:A estrutura computacional permite a previsão da vida em fadiga de CNTs e suas fibras sob diferentes condições de carregamento. Ao considerar a interação de mecanismos atomísticos e de nível contínuo, a estrutura captura os complexos processos de evolução de danos e prevê com precisão o número de ciclos até a falha.

2. Mecanismos de falha:O estudo identifica os principais mecanismos de falha responsáveis ​​pelos danos por fadiga nos CNTs e suas fibras. Esses mecanismos incluem quebra de ligação, iniciação e propagação de trincas e quebra de fibra. A estrutura fornece uma compreensão detalhada dos mecanismos subjacentes, permitindo aos pesquisadores otimizar o projeto do material e mitigar falhas por fadiga.

3. Efeito dos Defeitos:A estrutura também investiga a influência dos defeitos no comportamento à fadiga dos CNTs e suas fibras. Defeitos, como lacunas e defeitos de Stone-Wales, podem atuar como locais de nucleação para danos por fadiga e reduzir significativamente a vida em fadiga. O estudo quantifica o efeito de diferentes tipos de defeitos e suas concentrações, orientando o desenvolvimento de CNTs e fibras de alta qualidade com melhor resistência à fadiga.

4. Orientação da fibra:A orientação dos CNTs dentro da fibra desempenha um papel crítico no comportamento à fadiga. A estrutura considera as propriedades anisotrópicas dos CNTs e seu alinhamento para prever a vida em fadiga das fibras. Ao otimizar a arquitetura da fibra, é possível aumentar a resistência geral à fadiga e adaptar as propriedades do material para aplicações específicas.

5. Modelagem Multiescala:A estrutura computacional combina técnicas de modelagem multiescala para unir as escalas de comprimento das interações atomísticas ao comportamento macroscópico dos CNTs e suas fibras. Esta abordagem multiescala permite a representação precisa de processos de danos complexos e fornece uma compreensão abrangente do comportamento da fadiga em diferentes níveis hierárquicos.

A estrutura computacional desenvolvida serve como uma ferramenta poderosa para pesquisadores e engenheiros projetarem e otimizarem materiais baseados em CNT para aplicações exigentes. Ao prever com precisão a vida em fadiga e compreender os mecanismos de falha subjacentes, torna-se possível melhorar a confiabilidade e o desempenho dos CNTs e suas fibras em vários campos, incluindo aeroespacial, eletrônica e engenharia biomédica.