碳纳米管弹簧

碳纳米管弹簧是由碳纳米管(CNT)制成的弹簧。它们是基于CNT弹性变形的高密度、轻质、可逆能量存储的替代形式。许多先前对碳纳米管机械性能的研究表明，它们具有高刚度、强度和柔韧性。碳纳米管的杨氏模量为1TPa，能够承受6%的可逆拉伸应变，基于这些结构的机械弹簧可能会超过现有钢弹簧的当前储能能力，并为电化学电池提供可行的替代方案.预计在拉伸载荷下可获得的能量密度最高，弹簧本身的能量密度大约是钢弹簧可以达到的能量密度的2500倍，碳纳米管中的弹性能量存储过程包括在施加载荷下使其变形。在移除施加的负载时，从CNT释放的能量可用于执行机械功。碳纳米管具有可逆变形的能力，由它制成的弹簧可以重复充放电循环而不会疲劳。碳纳米管弹簧可以存储弹性应变能，其密度比传统的钢制弹簧高几个数量级。材料中的应变能密度与其杨氏模量和施加应变的平方成正比。当加载多壁纳米管(MWCNT)时，施加的大部分载荷由外壳承担。由于MWCNT的不同层之间的这种有限的负载转移，单壁纳米管(SWCNT)是更有用的弹簧结构材料。

用于储能的弹簧可以由SWCNT或MWCNT制成，这些SWCNT或MWCNT排列成密集的长、对齐的管束，称为CNT森林，通过化学气相沉积(CVD)生长。森林可以长到6毫米的高度。变形的CNT需要一个支撑结构来在放电之前承载弹簧的负载。机械弹簧必须与外部机构耦合，以构建功能上有用的电源。当外力施加到弹簧上时，弹簧本身会储存势能，但一旦外力移除，弹簧就会在一次快速爆发中释放能量。一个有效的电源需要在一段时间内储存能量，仅在需要时释放能量并以所需的功率水平释放能量。基于CNT的便携式电源应具有由四个主要组件组成的基本架构，对于如前所述以称为森林的组/束排列的碳纳米管，管之间需要有效的包装和良好的对齐以实现高能量密度。需要良好的载荷传递和有效的连接技术，以便壳可以加载到接近其弹性极限。选择适当的变形模式，包括轴向拉伸、轴向压缩、扭转或弯曲或其中任何一种组合。选择变形模式的标准不仅是最高的能量密度，而且是变形弹簧与其他功率耗散机制的适当集成。在释放之前，需要一个支撑结构来将CNT弹簧保持在完全加载的配置中。支撑结构的设计将取决于弹簧的尺寸、CNT所承受的变形模式以及系统其余部分的架构。为结构选择的材料应具有高强度，因为增加的支撑质量和体积有助于降低整个系统的能量密度。

对承受拉伸载荷的CNT进行分析。考虑长度为L、直径为d和平均半径为r的CNT的中空圆柱形结构。管的厚度为nh，其中n是CNT中的层数，h=0.34nm是一个壳的厚度。CNT材料的杨氏模量为E。在SWCNT的情况下，n=1，在MWCNT的情况下n>1。比率。因此，为了使CNT弹簧达到高能量密度，应使用小直径的SWCNT或具有密集壳的MWCNT。

使用支撑结构的目的是在释放使用之前能够储存能量。支撑结构应该足够坚固以支撑所施加的负载（用于压缩CNT）而不会导致自身失效。还有一点需要考虑的是，组合弹簧和支撑结构的能量密度总是低于单独的弹簧的能量密度。

由1nm直径的SWCNT束组成的CNT弹簧被拉伸到10%的应变，预计其能量密度为3.4×106kJ/m3。受拉负载的碳纳米管弹簧的能量密度高于受压负载的碳纳米管弹簧的能量密度。而目前碳钢表簧的xxx能量密度据报道在1080kJ/m3和3000kJ/m3之间。计算表明，当使用由单晶碳化硅制成的支撑结构时，CNT弹簧的能量密度降低到1×106kJ/m3。即使在考虑了与CNT弹簧能量收集装置相关的支撑结构和其他能量提取硬件之后，它的能量密度也远大于机械弹簧，并且与锂离子电池的能量密度大致相同。

需要大量的碳纳米管来存储大量可用于宏观过程的能量。为了实现如此大量的能量存储，碳纳米管弹簧必须保持高刚度和弹性。在实践中，在由CNT组件构成的纱线或纤维中具有如此高的刚度和弹性应变是非常困难的，因为它们很少保持单个SWCNT的机械性能。这种行为是由于原子缺陷和组织不完善造成的。弹性加载是可逆能量存储的首选加载机制，已经进行的实验表明纤维内的加载偏离了纯弹性行为。在给定的应变下，只有一部分碳纳米管弹簧有助于承载。由于原子缺陷和缠结的存在，每个CNT内不等量的松弛导致不同的CNT在不同的应变下断裂。当MWCNTs在张力下加载时，很难抓住它们的内壳。连接到两端原子力显微镜(AFM)尖端的MWCNT的拉伸试验表明，在外壳发生断裂的方式是，大部分载荷发生在外壳上，而很少载荷转移到内壳上。这导致多壁碳纳米管的刚度和强度低于它们在壳负载相等时的刚度和强度。