Análise de Propriedade Mecânica de nanomateriais

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ANÁLISE DE PROPRIEDADE MECÂNICA DE NANOMATERIAIS
7.1 INTRODUÇÃO 
Os nanomateriais desempenham um papel fundamental na tecnologia e pesquisa de hoje. Desenvolvimento de nanoestruturas, partículas nanizadas, novos nanomateriais etc., são os principais interesses na pesquisa atual. Nanomateriais (de "nano", que significa "anão" em Gregos) são de particular interesse devido ao seu tamanho menor, mas grandes vantagens. Os nanomateriais são sempre preferidos aos macro ou micromateriais porque de suas próprias propriedades superiores e o aprimoramento das propriedades que eles transmitir a outros sistemas. Sua alta proporção, alta área de superfície e melhor propriedades mecânicas cimentaram uma rota suave pela qual ultrapassaram materiais convencionais. Por definição, nanomateriais são materiais com tamanho <100 nm em pelo menos uma dimensão. A descoberta de nanomateriais lançou um novo ramo da ciência chamado nanotecnologia, termo usado pela Norio Taniguchi, um cientista japonês da Universidade de Tóquio; nanotecnologia abrange todos os outros ramos da ciência e tecnologia, incluindo física, química, biologia, medicina, engenharia, tecnologia e ciência da computação, todos os quais podem ser considerados galhos na árvore que é a nanodimensão.
7.1.1 Classificação de nanomateriais 
Os nanomateriais podem ser classificados de acordo com sua origem, dimensão e tipo de materiais utilizados. 
A. Nanomateriais naturais: nanomateriais de origem natural, por exemplo cinzas vulcânicas, asas de insetos e opalas, conchas, corais, seda de aranha, etc. 
B. Nanomateriais sintéticos ou artificiais: São sintetizados usando um bem definido protocolo em laboratório. Nanomateriais amplamente usados ​​se enquadram nesta categoria, por exemplo, nanotubos, pontos quânticos, nanopartículas etc.
Os nanomateriais podem ser classificados de acordo com a dimensão da seguinte forma: 
(a) Zero-dimensional: Materiais cujas dimensões nas três direções estão em a faixa de nanômetros. Geralmente, eles terão formato esférico, por exemplo, pontos quânticos, nanopartículas de prata, etc. 
(b) Unidimensional: uma dimensão desses materiais estará fora do nanômetro gama, por exemplo, nanofios. 
(c) Bidimensional: Para esses materiais, duas dimensões serão nanométricas alcance. 
Exemplos são nanofilmes, revestimentos, folhas e paredes.
a) Tridimensional: Nos materiais tridimensionais (3D), todas as dimensões estará fora da escala nanométrica. Estes incluem materiais a granel compostos dos blocos individuais que estão na escala nanométrica (1–100 nm) (Fig. 7.1).
Uma grande variedade de nanomateriais está disponível quando consideramos o tipo de material envolvidos.
1). Nanomateriais baseados em carbono: neste tipo, como o nome indica, o carbono será ser o componente básico. Fulerenos, nanotubos de carbono, grafeno etc., pertence a esta classe (Fig. 7.2).
2). Nanomateriais baseados em metais: O principal componente dessas partículas é metal. Esses nanomateriais incluem óxidos de nanogold, nanossilver e metais
como dióxido de titânio, sílica, alumina, etc. (Fig. 7.3).
3). Dendrímeros: os dendrímeros são macromoléculas altamente ramificadas com dimensões em escala nanométrica (Fig. 7.4).
4). Nanocompósitos: Aqui, pelo menos um dos componentes de uma mistura está no escala nanométrica.
Na história dos nanomateriais, os óxidos metálicos foram os primeiros amplamente utilizados materiais.
A Taça de Licurgo e o aço de Damasco dos tempos antigos usavam nanomateriais como ingredientes-chave. O ramo da nanotecnologia se desenvolveu de forma imprudente após a descoberta de técnicas sofisticadas, como o microscópio eletrônico de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM) para caracterizar nanomateriais. Tudo as propriedades consideradas até aquele momento foram reduzidas a um bilionésimo de centímetro. A famosa citação do cientista Richard Feynman, pai da nanotecnologia, "Há muito espaço na parte inferior", faz sentido no contexto da dimensão extremamente pequena das propriedades dos nanomateriais. Técnicas microscópicas tem sido a principal técnica para caracterizar nanomateriais para encontro. Todas as outras propriedades podem ser correlacionadas com a morfologia do nanomaterial em estudo. A análise de propriedades de nanomateriais é importante no contexto das aplicações. Como os nanomateriais encontram aplicação em vários campos, uma avaliação cuidadosa das propriedades é indispensável. Como um grande número de nanomateriais é disponível, a análise de propriedades de todos eles é entediante. Tanto físico quanto químico propriedades são consideradas antes de selecionar um nanomaterial para um inscrição.
7.2 ANÁLISE DA PROPRIEDADE DOS NANOMATERIAIS 
7.2.1 Propriedades físicas dos nanomateriais 
As propriedades físicas dos nanomateriais incluem: 
· Tamanho 
As propriedades dos materiais geralmente dependem de seu tamanho. Quando se trata de dimensões extremamente pequenas, como nanômetros, tamanho e distribuição de partículas realmente importa. Tamanho é uma variável que determina a eletrônica, termodinâmica, e características químicas de um nanomaterial. O tamanho de um nanomaterial afeta a forma, os parâmetros da estrutura e a estrutura cristalina. Normalmente, o substâncias cristalinas são constituídas por átomos na faixa dos nanômetros. 
· Forma 
As formas de nanomateriais são importantes quando aplicadas no campo biomédico tais como terapia do câncer, administração de medicamentos etc. Nanomateriais baseados em metal uma habilidade especial para formar formas diferentes (Fig. 7.5). 
· Cor 
Nanopartículas de ouro e prata produzem uma ampla gama de soluções coloridas dependendo da concentração, tamanho das partículas e proporção das nanopartículas. A cor se origina da ressonância plasmônica nesses materiais. Diferentes cores são observadas em nanopartículas com diferentes formas e tamanhos, dependendo do respectivo padrão de absorção de luz visível (Fig. 7.6). 
· distribuição de tamanho 
· relação de aspecto
A proporção entre comprimento e largura é normalmente chamada de proporção. Nanomateriais possuem alta proporção, o que os torna adequados para muitas aplicações.
· Morfologia 
A morfologia dos nanomateriais geralmente é o efeito combinado de tamanho, forma, e arranjo especial das partículas envolvidas. Desenvolvimento morfológico depende do método de cristalinidade e síntese. A morfologia é um importante característica em aplicações biológicas e biomédicas e em catálise. 
· solubilidade 
· força mecânica 
Os nanomateriais e seus materiais compósitos exibem alta resistência mecânica na faixa de TPa. Nanotubos de carbono e estruturas relacionadas são bem conhecidos por a força deles. A inclusão de nanomateriais é normalmente destinada a melhorar a resistência ao impacto e módulo de Young. A investigação detalhada de todos aspectos das propriedades mecânicas é um trabalho tedioso porque a disponibilidade nanomateriais são bastante amplos em seu escopo.
· Propriedades ópticas 
Exibir cores atraentes é uma peculiaridade da maioria das nanopartículas. Nanomateriais são simultaneamente sensíveis à luz visível e aos raios UV. A forma e A matriz de partículas individuais determina a cor dos nanomateriais. Devido a isso são materiais amplamente selecionados para dispositivos ópticos, como sensores e exibe. 
· propriedades elétricas 
CNTs, devido à disponibilidade de um grande número de títulos pi e à possibilidade des-localização, são de natureza condutora. Eles são usados ​​na blindagem EMI dispositivos e para fazer camadas e materiais condutores.
7.2.2 Propriedades químicas dos nanomateriais 
Propriedades químicas importantes relacionadas aos nanomateriais são estrutura, funcionalidade, locais reativos, hidrofilicidade e propriedades da superfície.
7.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS NANOMATERIAIS 
Os nanomateriais são muito importantes em termos de aplicações. Melhoria na propriedade mecânica dos materiais é uma consideração importante quando incorporamos nanomateriais como nanopartículas, nanotubos, nanofios, nanocristais, etc. Espera-se uma melhoriaem propriedades como resistência à tração, Young módulo, resistência à flexão, propriedades de fratura e resistência ao impacto. Quando tendo em conta a análise detalhada das propriedades mecânicas dos nanomateriais, Existem vários fatores a serem considerados, como estrutura da superfície, porosidade, funcionalização, métodos de preparação, tratamentos químicos, etc., todos que influenciam diretamente as propriedades mecânicas. Propriedades mecânicas também variam com o material base. Materiais à base de carbono possuem muito alta resistência mecânica. Materiais com propriedades ajustáveis ​​podem ser obtidos por modificação química da superfície ou por formação de ligas. Uma discussão detalhada nas propriedades mecânicas dos nanomateriais com base no constituinte material é dado abaixo.
7.3.1 Propriedades mecânicas de nanomateriais baseados em carbono 
Materiais à base de carbono contribuem muito para a nanociência e nanotecnologia. Nenhum outro material poderia substituir o carbono e suas diferentes formas nanodimensionais em propriedades ou aplicativo. Nanotubos de carbono (de parede única e nanofios, grafeno, etc., são os materiais de enchimento mais amplamente utilizados vários campos. Sua aplicação generalizada deve-se principalmente ao alto nível mecânico propriedades. Para determinar as propriedades mecânicas de um material, é preciso entender seu comportamento elástico e medir o módulo de Young. Usando de técnicas microscópicas como AFM e TEM, podemos medir a elasticidade módulo, comportamento tensão-deformação, resistência à fratura e módulo de flexão. Rigidez ou ductilidade, tenacidade, etc., também são consideradas após as propriedades elásticas. A análise eletromecânica é usada agora para medir a resposta mecânica. isto é quase impossível determinar a resistência à tração de um único nanotubo diretamente. 
Quando uma folha de grafeno é enrolada para formar um nanotubo, ocorre uma drástica mudança na resistência mecânica. O módulo de Young está inevitavelmente ligado as ligações químicas em um material. Como todos sabemos, o módulo de Young é a proporção da tensão à tensão, e a conversão de chapa em tubo resulta em uma mudança proporção. O grafeno contém um grande número de átomos de carbono hibridizados sp2 ou em Em outras palavras, ele contém ligações carbono-carbono π em grande quantidade. Quando o materiais contêm um grande número de átomos de carbono ligados covalentemente como grafeno e CNTs, espera-se sempre que os valores dos módulos sejam altos [1]. A medição teórica da propriedade mecânica dos nanotubos foi a primeira feito por Tomanek et al. em 1993. Usando o potencial de Keating, eles mostraram que o módulo de Young de pequenos CNTs de parede única pode ter até 1,5 TPa [2]. A resistência à tração específica medida de uma única camada de um carbono de paredes múltiplas nanotubo pode ser tão alto quanto 100 vezes o do aço, e a folha de grafeno (no plano) é tão rígido quanto o diamante em baixa deformação [3] (Tabela 7.1).
Ruoff e colegas relataram a revisão sobre estrutura, morfologia e propriedades mecânicas de SWCNT e MWCNT, e o estudo revela que o módulo de Young do nanotubo de parede única variava de 2,8 a 3,6 TPa, e para MWCNT, a variação foi de 1,7 a 2,4 TPa [4-6]. Qual significa que os nanotubos de paredes múltiplas são inferiores aos nanotubos de parede única módulo. Krishnan e colegas lidaram seriamente com o módulo de Young de CNTs. Micrografias de 27 nanotubos na faixa de diâmetro de 1,0 a 1,5 nm foram medido por eles para produzir um módulo de Young médio de 1,25 TPa. O histograma dos valores de módulo de Young obtidos é apresentado na Fig. 7.7 [7]. 
Os nanotubos de carbono têm certas propriedades das fibras e, portanto, são os carga mais exigida em compósitos poliméricos. O módulo de Young é normalmente muito alto na direção axial. CNTs alinhados e aleatórios também se comportam de maneira diferente em matrizes poliméricas. Para os compósitos alinhados, maiores resistências à tração foram obtidos para os compósitos com maiores concentrações de CNT. Mas menor são observados valores para nanotubos aleatórios. Isso está relacionado à transferência de estresse mecanismo. Os tubos alinhados também podem aumentar a resistência ao rasgo, controlando a crescimento do crack.
Em um estudo de Treacy e colegas com diferentes nanotubos, foi encontrado que o valor mais baixo para o módulo de Young é 0,45 TPa. Eles usaram uma transmissão microscópio eletrônico para análise, e o valor médio de 11 nanotubos foi considerado. De suas pesquisas, eles declararam que o módulo mais alto era para nanotubo de carbono, que tinha o raio mais baixo. Mas na maioria dos estudos, o raio ou diâmetro não é considerado um fator decisivo para a mecânica força [8].
Huang e colegas [9] estudaram os nanotubos de carbono e seus mecanismos propriedades, especialmente a resposta ao estresse dos materiais, e descobriu que os CNTs (particularmente os de paredes múltiplas) demonstram comportamento superplástico. Semelhante estudos foram realizados por Sato e afirmaram que, à temperatura ambiente, os nanotubos de carbono normalmente falham em estirpes <15% e, na prática, apenas 6% é alcançado devido a defeitos estruturais. Portanto, seria muito surpreendente que a altas temperaturas acima de 2000 K, um SWNT passaria por deformação superplástica (isto é, super alongamento) para deformações de 280% [10] (Fig. 7.8).
Os estudos também revelam que, apesar de sua alta resistência à tração, a resistência uniaxial resistência à compressão e resistência à flexão são inadequadas. Carga de flexão atuar em uma CNT leva a uma ovalização da seção transversal e à flexão progredir, podem ocorrer dois modos de deformação da instabilidade, "Ondulando". 
Defeitos desempenham um papel importante na determinação das propriedades mecânicas de nanotubos de carbono [11]. A microscopia de força atômica é uma ferramenta eficaz para estudar a resposta mecânica de nanomateriais. Chwal relatou a influência de defeitos no módulo de Young da CNT e descobriu que o defeito de um átomo deteriora a valores efetivos de módulo jovem de CNT [12]. A espectroscopia Raman também pode ser empregado para analisar as propriedades elásticas dos CNTs. A banda D * desempenha um papel significativo papel na medição. A mudança na banda D * pode ser levada em consideração consideração [13]. No caso dos espectros Raman, o pico de ampliação e a mudança de pico é uma indicação de alteração nas propriedades mecânicas. A grafite tem anisotropia muito alta, que também está obviamente presente nos CNTs. o anisotropia pode levar a imperfeições e luxações.
Após os nanotubos de carbono, o grafeno é a próxima consideração mais importante. O grafeno é a forma reativa do carbono. Grafeno, uma única camada de grafite, foi um dos primeiros materiais bidimensionais reais (ou seja, um átomo de espessura) a ser isolado na natureza [14]. Quando considerado em termos de propriedades mecânicas, o grafeno é super resistente. Suas propriedades mecânicas aprimoradas, especialmente as de tração força, resulta da força de ligações covalentes entre átomos de carbono em as folhas de grafeno. O grafeno tem a capacidade especial de ser esticado para aproximadamente 20% além do comprimento original. Essa natureza elástica e alta resistência mecânica força tornam o grafeno adequado no campo da eletrônica, como em displays flexíveis. Essa elasticidade nas redes de grafeno resulta das ligações de carbono. Hone e a equipe mediram as propriedades elásticas e a força intrínseca (rigidez, resistência e resistência) das monocamadas de grafeno. Força intrínseca pode ser definido como a tensão máxima que pode ser suportada pelo material antes à falha em um material intocado sem defeitos. Uma ampla gama de valores de rigidez (0,27-1,47 TPa) foi obtido, com forças de ruptura variando de 3,6 a 63 GPa e falha aumentam até 12% [15]. As imagens obtidas durante o teste mecânico são apresentados na Fig. 7.9. No caso do grafeno, os limites dos grãos e as deslocações nos limites dos grãos desempenham umpapel importante na determinação as propriedades mecânicas. Em particular, as deslocações podem servir como transportadores de fluxo plástico em grafeno [16]. A radiação pode produzir deslocamentos em folhas de grafite. A irradiação produzirá vagas na camada de grafeno. Portanto, os CNTs e o grafeno são de natureza quebradiça sob baixa temperatura. Enquanto a temperatura aumenta, os CNT tendem a deslocar facilmente os átomos de carbono e isso, por sua vez, relaxa a camada. Esse relaxamento leva a uma maior flexibilidade. 
A espectroscopia Raman pode ser usada como uma ferramenta eficaz para medir a mecânica respostas com estresse aplicado. O módulo de Young é definido como a razão de tensão e deformação. A tensão no material pode induzir mudanças nas vibrações de átomos que resultam na mudança de frequências vibracionais. Um desvio para vermelho ou azul um deslocamento pode resultar dependendo da tensão de tração induzida. A mudança de frequências corresponde à deformação (principalmente alongamento ou alongamento da ligação C=C) nas folhas de grafeno. As deformações dadas ao sistema podem ser uniaxiais ou biaxial.
Quando os materiais grafíticos são adicionados em outras matrizes (como polímeros) para fazer compostos, o número de camadas e a maneira como as camadas são empilhados desempenha um papel importante na determinação da força do produto final. O próximo fator é a dispersão. Melhor dispersão de grafeno na matriz aumenta a força. A fraca dispersão leva à aglomeração, que, por sua vez, reduz as propriedades mecânicas. Na maioria dos casos, os pontos de falha estão em torno de os aglomerados. Em nanocompósitos polímero-grafeno, dispersão e interação são considerados igualmente importantes para aumentar as propriedades mecânicas tais como resistência à tração e à fratura. Quando a interação entre as camadas de grafeno e o polímero é mais eficaz, a transferência de tensão é possível entre eles. Espera-se que os sistemas modificados com grafeno possuam uma interação π-π. A adição de uma grande quantidade de grafeno pode levar a uma interação ruim, pois a interação entre camadas será mais comparável ao grafeno-polímero interação. É por isso que sempre selecionamos um conteúdo mais baixo de grafeno para reforço em compósitos. O módulo de Young mostra notável variação quando uma quantidade muito menor é adicionada. 
Introdução de novas funcionalidades na superfície das folhas de grafeno significativamente influencia as propriedades. Quando grupos funcionais capazes de produzir ligações de hidrogênio como o COOH são introduzidas na superfície, pode levar a aumento na interação. Essas interações aprimoradas normalmente resultam na melhoria da rigidez e dureza. Durante a oxidação, redução e pós-processamento tratamentos, várias funcionalidades são introduzidas no grafeno folhas. Esses grupos funcionais têm um efeito significativo em sua aplicação e propriedades. Os grupos funcionais podem variar a distância interlaminar entre as folhas de grafeno e diminua a atração interlaminar. Em um estudo por Xu et al., eles descobriram que uma única molécula de água entre as camadas de grafeno reduz a força para 26 MPa e expande a distância entre camadas para 0,6 nm. Dois grupos epóxi em folhas de grafeno, frente a frente, levou a uma TS ligeiramente superior a 30 MPa e à distância entre camadas h a 0,5 nm, na ausência de moléculas de água intersticiais [17]. Polímeros com reatividade grupos funcionais como poliuretano, poliureia e epóxis e tendo um número infinito de ligações pi, como polianileno, poliacetileno, etc., pode agir como matrizes eficazes com grafeno como modificador. Diferentes formas de o grafeno nos polímeros também podem aumentar a tenacidade à fratura.
7.3.2 Propriedades mecânicas de nanomateriais inorgânicos 
Um grande número de materiais é baseado em nanoestruturas inorgânicas. A transição óxidos metálicos são amplamente utilizados em sensoriamento, administração de medicamentos, eletrônica, enchimentos, etc. A facilidade de síntese e disponibilidade de sais para a preparação torna uso de tais materiais comuns. O aprimoramento nas propriedades é um acréscimo vantagem. ZnO, TiO2, Al2O3, nanossilver, nanogold, nanoferrites, etc., vêm nesta categoria. Além disso, estruturas baseadas em silício, como silicatos, silanos, silsesquioxanos, etc., constituem uma categoria inevitável. Um grande número de nanoestruturas à base de silício está sendo amplamente utilizado.
7.3.2.1 Propriedades mecânicas de nanomateriais baseados em metal 
Nanopartículas metálicas são uma grande variedade de materiais, porque um grande número de nanopartículas e nanomateriais metálicos podem ser sintetizados e projetados de acordo aos requisitos. Alumina, sílica, titânia, óxido de zinco, prata e ouro em a dimensão nanométrica é comumente empregada na fabricação de compósitos, medicamentos materiais, andaimes biológicos, etc. Tanto o material físico como químico as propriedades desses nanomateriais podem ser modificadas modificando suas funcionalidades na superfície.
O óxido de zinco é a nanoestrutura mais comum à base de zinco. Foi usado como pigmento branco em borracha, tintas, etc. O ZnO possui boa semicondutora e propriedades elétricas como resultado de sua alta área específica. Estruturas fascinantes pode ser derivado do ZnO sob condições específicas. A medição direta de as propriedades mecânicas dos nanomateriais de Zn são difíceis, e Bai et al. Caracterizado o módulo de flexão de nanobelts de ZnO usando um elétron de transmissão microscópio. Eles usaram um suporte de amostra específico e aplicaram um oscilador campo elétrico. Usando teorias clássicas, eles calcularam o módulo quase igual a 52 GPa [18,19]. As propriedades mecânicas dos nanofios de Zn também podem ser determinado usando a excitação ressonante induzida pelo campo elétrico. Esta técnica foi considerado útil para encontrar as propriedades de fios individuais [20] O metal Zn fornece uma resposta rápida ao processo de oxidação térmica uma variedade de estruturas interessantes são assim desenvolvidas. Purkayastha et al. Sintetizado Nanofios de Zn e ZnO e estudou as propriedades físicas aplicando o material em diferentes substratos, como vidro borossilicato (BSG), amorfo quartzo, safira de cristal único (ALO), aluminato de lantânio (LAO) e zircônia estabilizada com ítria (YSZ). A técnica de nanoindentação foi utilizada para estude o módulo e a dureza de Young [21]. Os estudos revelaram que o dureza foi de 5,8, 8,7, 33,1, 17,8 e 22,6 GPa, respectivamente, para os Substratos BSG, quartzo, ALO, YSZ e LAO. A menor dureza é observada filmes depositados em substratos BSG, enquanto a maior dureza foi alcançada no substrato LAO com valores de 0,15 e 0,8 GPa, respectivamente. O efeito do recozimento nas propriedades mecânicas também foi estudado e mostraram que, no recozimento a 500 ° C, os valores de dureza diminuem para 0,02 e 0,4 GPa em BSG e LAO. Os estudos sobre propriedades mecânicas de substratos indicavam claramente que o efeito do substrato era muito insignificante e a resistência mecânica foi contribuída pelos nanofios Zn e Zno, e assim, eles têm uma boa resistência mecânica. Mas o efeito dos métodos de tratamento desempenha um papel importante na mudança de propriedades [22]. A proporção tem também um efeito inevitável no módulo de Young. A proporção baixa mostrou alta dureza e módulo. Os valores de dureza também mudam com o alinhamento direção e porosidade.
Hahn e colegas tentaram aumentar a resistência mecânica do composto materiais funcionalizando as nanopartículas de alumina com um acoplamento bi-funcional agente, (3-metacriloxipropil) trimetoxisilano (MPS). Teste de microtração os resultados revelaram o módulo e a força de Young aumentando com a partícula carregando [23].
Nanoestruturas de silício são consideradas importantes por terem encontrado aplicação em uma ampla variedade de aplicações. A maioria dos nanoestruturados à base de silício materiais exibem propriedades mecânicas superiores, como módulo de elasticidade e tenacidade à fratura. Essaspropriedades superiores os tornam adequados para eletromecânica dispositivos. Os nanomateriais à base de silício mostram níveis mecânicos particularmente altos propriedades comparadas aos seus materiais a granel. A microscopia é a mais técnica promissora para determinar a resistência mecânica dos nanomateriais. Ferramentas como o microscópio eletrônico de transmissão, o microscópio de força atômica, microscópio eletrônico de varredura, etc., são comumente usados, incorporando bem conhecido teorema de Euler-Bernoulli (teoria elástica). Esse tipo de estudo foi relatado por muitas equipes de pesquisa [24,25]. Propriedades mecânicas de nanofios à base de silício dependem do diâmetro dos nanofios. Superior propriedades mecânicas são esperadas quando o diâmetro está acima de 100 nm. Quando o diâmetro diminui, o aumento da tensão superficial leva à diminuição da módulo de elasticidade [26].
Nanoestruturas de silício são importantes para os aplicativos encontrados em uma ampla variedade de aplicações. A maioria dos nanoestruturados à base de silício materiais exibidos propriedades mecânicas superiores, como módulo de elasticidade e tenacidade à fratura. Essas propriedades superiores ou tornam-se elegíveis para eletromecânica dispositivos. Os nanomateriais à base de silício mostram níveis mecânicos particularmente altos propriedades comparadas aos seus materiais a granel. A microscopia é a mais promissora técnica para determinar a resistência mecânica dos nanomateriais. Ferramentas como o microscópio eletrônico de transmissão, o microscópio de força atômica, microscópio eletrônico de varredura, etc., são comumente usados, incorporando bem conhecido teorema de Euler-Bernoulli (teoria elástica). Esse tipo de estudo foi relatado por muitas equipes de pesquisa [24,25]. Propriedades mecânicas de nanofios à base de silício dependem do diâmetro dos nanofios. Superior propriedades mecânicas são esperadas quando o diâmetro está acima de 100 nm. Quando o diâmetro diminuído, o aumento da tensão superficial leva à diminuição da módulo de elasticidade [26].
Como mencionado no caso de materiais à base de Zn, as propriedades mecânicas das nanoestruturas de silício também exibem dependência da porosidade. Hamsphere e sua A equipe de pesquisa relatou a partir de seus estudos sobre nanopartículas de nitreto de silício que Módulo de Young, módulo de cisalhamento, razão de Poisson e força de fratura mostram dependência de porosidade [27]. Os silsequioxanos são uma classe importante de nanoestruturas à base de silício. Eles são estruturas em gaiola de silício com grupos orgânicos anexados. Eles contém Si - O - Si. O exterior orgânico fornece funcionalidade e o silício center fornece propriedades mecânicas superiores. Os importantes silsesquioxanos ou silsesquioxano polioligomérico (POSS), quando adicionado a materiais poliméricos (como outros nanofillers) transmitem seus efeitos dependendo da dispersão. As propriedades mecânicas dos compósitos POSS dependem do estado de dispersão bem como as interações entre os grupos pendentes do POSS e os resultando em efeitos dramaticamente diferentes, que vão desde o enrijecimento da polímero para plastificar o polímero. Em alguns casos, o POSS traz uma redução nas propriedades devido à sua ação plastificante. A melhoria ou diminuição na propriedade de materiais incorporados ao POSS obviamente depende da superfície funcionalidade da gaiola de silicone. A influência da funcionalidade da superfície sobre propriedades mecânicas (módulo de Young, tensão de escoamento e alongamento na ruptura) foi estudado por Sarkar e colegas. Eles incorporaram o POSS com três grupos funcionais de superfície diferentes, metil, fenil e vinil (me-POSS, ph-POSS e vi-POSS) em polipropileno (PP) por meio de mistura por fusão. Adição de POSS de vinil para o polímero levou a um aumento máximo no módulo de Young, tensão de escoamento e alongamento na ruptura, portanto, uma melhoria geral na propriedades mecânicas. Esse aprimoramento observado foi atribuído ao bom dispersão de POSS de vinil na matriz polimérica, bem como a interação química entre macromoléculas de polipropileno e os grupos funcionais POSS [28] A diminuição das propriedades ocorreu devido à agregação de nanopartículas em a matriz polimérica. Esses agregados atuam como pontos de interrupção durante a deformação. Como no caso de outros nanofillers, o aprimoramento da propriedade pelo POSS também depende da quantidade adicionada.
7.3.2.2 Propriedades mecânicas de nanocompósitos e misturas 
Nanocompósitos e misturas nanoestruturadas são materiais importantes na indústria. Nanoestruturas são consideradas para muitas aplicações, devido à baixa quantidade de carga envolvida e seu aprimoramento mecânico, elétrico e óptico propriedades. Nanocompósitos são materiais que incorporam partículas nanizadas em uma matriz de materiais padrão. Os nanocompósitos são um ramo amplo estudar. Todos os tipos de polímeros podem formar nanocompósitos. Termoplástico, termofixo, e nanocompósitos elastoméricos são amplamente utilizados para muitas aplicações. As propriedades finais dependem principalmente da quantidade de carga, dispersão do carga e interação entre carga e matriz. Bai e Allauoi investigaram o efeito do comprimento e tamanho agregado dos nanotubos de carbono com paredes múltiplas propriedades mecânicas de nanocompósitos. Eles tentaram três tipos de MWCNTs e três% em peso diferentes da carga. Eles descobriram que a adição do MWCNTs aumentaram o módulo e a resistência à fratura dos compósitos, e a tensão da fratura foi significativamente reduzida pela adição do MWCNTs. A eficiência da melhoria diminuiu com o aumento de MWNTs porcentagem de adição. Para o módulo de Young, são 60%, 90% e 110% para o compósitos contendo, respectivamente, 0,5, 1 e 4% em peso de MWNTs [29]. A propriedade mecânica dos compósitos incorporados à CNT foi estudada por muitos pesquisadores. As propriedades mecânicas e a morfologia do carbono de paredes múltiplas nanotubos de nanotubos (MWNT) / polipropileno (PP) foram estudados por Dondero e Gorgaas em função da orientação e concentração dos nanotubos. Os testes de tração mostraram um aumento de 32% na tenacidade para um MWNT de 0,25% em peso em PP (sobre PP puro). Além disso, o módulo aumentou 138% com 0,25% em peso MWNTs [30]. Dispersão é o principal fator que determina o módulo de Young de compósitos adicionados ao CNC. As forças de van der Waal nas CNT lideram com muita facilidade aglomeração. Quando a aglomeração é maior, as propriedades são reduzidas. A transferência efetiva do estresse só é possível quando o CNT é finamente disperso na matriz. A funcionalização é outro fator importante. Como discutido anteriormente, os grupos funcionais capazes de interagir com o polímero melhoram propriedades mecânicas. A rota sintética também é igualmente importante na propriedade Aprimoramento. Quando os CNTs são adicionados como partículas, a chance de aglomeração sobe. Eles podem ser incorporados na matriz como fibras usando técnicas de fiação.Nos compósitos polímero-CNT, a quantidade de CNT adicionada deve ser otimizado cuidadosamente para obter as melhores propriedades mecânicas do compósito. Quando mais CNT é adicionado à matriz polimérica, os CNTs aparecem como minúsculos pacotes e esses pacotes diminuirão o módulo de Young, o módulo de armazenamento e resistência à tração. Quando nanotubos de paredes múltiplas são adicionados, se a fratura de peso é ótimo, então as CNTs tendem a se aproximar e formar uma rede dentro da matriz. Esta rede é semelhante a uma rede tecida e normalmente ajuda a transferência eficaz de estresse.
O alinhamento das CNTs é uma consideração adicional para a melhoria da propriedade. Se os CNTs estiverem alinhados na direção da tensão aplicada ou na direção de alongamento, o módulo de elasticidade será alto. O módulo elástico é definido como a invariância translacional de um material. Normalmente, um único nanotubo não possui invariância translacional, porque na direção radial, um centro oco e um A sequência das camadascoaxiais é bem distinta, com o espaçamento entre camadas comparável com os raios do nanotubo. É sabido que o módulo de Young mostra menos dependência do diâmetro do tubo.
Como as CNTs, os compósitos de grafeno também são amplamente discutidos. Song and Cai nanoplacas de grafeno em uma matriz de poliuretano. Eles descobriram que o O módulo de Young do composto de PU é quase 10 vezes maior que o do PU puro, que pode ser atribuído à transferência eficiente de carga entre os GONPs e a matriz de PU resultante da ligação química [31] (Fig. 7.10).
Compton e colegas analisaram o efeito de moléculas de água no grafeno papel de óxido sobre as propriedades mecânicas de compósitos de álcool polivinílico. Eles observaram que, em seu experimento, a rigidez aumentava continuamente à medida que a água conteúdo diminuiu, até um valor máximo de 60 GPa (aumento de 50% sobre o caso de papel de óxido de grafeno intocado) quando 7% em peso de água estava presente [32].
Os filmes de grafeno / quitosana foram produzidos por Fan et al. As propriedades mecânicas dos filmes compostos foram testados pelo método de nanoindentação. Com o adição de uma pequena quantidade de grafeno em quitosana (0,1-0,3% em peso), o o módulo de quitosana aumentou mais de 200% [33]. Como mencionado anteriormente, o grupos funcionais ligados aos nanomateriais afetam a resistência mecânica dos compósitos. Fang e colegas investigaram o efeito da funcionalização covalente sobre a resistência à tração e o módulo dos compósitos de poliestireno e concluíram que nanocompósitos de poliestireno com 0,9% em peso de grafeno nanopartículas revelaram aumentos de 70% e 57% na resistência à tração e Módulo de Young [34]. Em um estudo comparativo de Rafiee e colegas plaquetas de grafeno, SWCNTs e MWCNTs selecionados como nanofillers para melhorar a propriedade da matriz epóxi. Eles observaram que a resistência à tração do todo o composto aumentou consideravelmente a partir do epóxi primitivo. Eles também descobriram que as plaquetas de grafeno, mesmo em pequenas concentrações, podem melhorar uma variedade de propriedades mecânicas, incluindo resistência à tração, módulo de Young, tenacidade à fratura, energia da fratura e resistência ao crescimento da trinca por fadiga. Existem várias razões possíveis para isso, que incluem melhorias específicas área de plaquetas de grafeno, melhor intertravamento / adesão mecânica no interface nanofiller-matriz e a geometria bidimensional do grafeno plaquetas [35,36] (Fig. 7.11). 
Ramanadhan e colegas também fizeram um estudo comparativo com o SWCNT, grafeno funcionalizado (FGS) e folhas de grafeno expandido (EG). Eles observaram que a funcionalização aumentou a interação e rigidez do Matriz de PMMA [37] (Fig. 7.12). 
O efeito do estado de dispersão do grafeno nas propriedades mecânicas de compósitos de grafeno / epóxi foram investigados por Tang e colegas. A tenacidade à fratura quase-estática aprimorada (K1C) foi medida no caso de boa dispersão. O RGO mal e altamente disperso (grafeno reduzido óxido) a 0,2% em peso de carga resultou em cerca de 24% e 52% de melhoria K1C de termoendurecíveis de epóxi curados, respectivamente. Folhas RGO foram observadas colmatar a microfissura e descongelar / delaminar durante o processo de fratura devido a interface ruim de preenchimento / matriz e preenchimento / preenchimento, que deve ser a chave elementos do efeito de endurecimento [38] (Fig. 7.13). 
Uddin e Sun sintetizaram vários compósitos híbridos de epóxi com diferentes nanofillers e comparou as propriedades de flexão. Todos os nanocompósitos, como esperado, mostram maiores forças e módulos de flexão do que o epóxi puro. A melhor qualidade da dispersão leva a melhores propriedades mecânicas de os nanocompósitos híbridos [39] (Fig. 7.14).
7.3.2.3 Propriedades mecânicas de outras nanoestruturas 
Um bom número de nanomateriais, além dos mencionados acima, são utilizado para fins especiais. Eles incluem nanocristais, nanofibras, nanoplatetas, nanofios, etc. A resistência mecânica é essencial para manter a estrutura integridade no desempenho multifuncional desses nanofios. A dependência espessura dos filmes finos e diâmetro das nanopartículas examinados considerando nanocristais de metal e cerâmica por Wei e colegas. Eles também simularam o resultado e encontraram uma boa concordância com o dados experimentais [40]. Um estudo de caso de estáveis, hierárquicos, nanoestruturados, materiais termoelétricos feitos por Su e colegas forneceram uma extensa relatório sobre os diferentes aspectos das propriedades mecânicas dos nanomateriais. Nanoestruturas à base de telureto de bismuto foram selecionadas para o estudo, e as análise de propriedade foi feita. Eles obtiveram que as estruturas hierárquicas exibem usinabilidade e propriedades mecânicas superiores com quase Aprimoramento de 30% em sua resistência à fratura, combinada com uma e um fator de seis aumentos na resistência à compressão e à flexão, respectivamente. Nanoestruturas hierárquicas são geralmente incorporadas para melhorar a resistência ao crescimento de trincas, que, por sua vez, melhora as propriedades mecânicas. A técnica de processamento desempenha um papel importante nas propriedades finais desses estruturas. A fusão por fusão, combinada com uma sinterização ativada por plasma (MSPAS), foi usado para produzir nanoestruturas por eles. As imagens HRTEM revelou o papel dos defeitos do cristal nas propriedades mecânicas. O hierárquico estrutura consiste em partículas que variam de nanopartículas de 50 nm a submicrômetro grãos com estruturas lamelares de até 20 μm, que apresentaram influência nas propriedades mecânicas. As amostras apresentaram fratura estável, e as trincas foram presas pela zona plástica à frente da ponta da trincheira, devido ao facilidade de clivagem ao longo da direção do crescimento do cristal. O refinamento de grãos e estruturas hierárquicas resultantes de processamento especial contribuem para o óbvio deflexão de trincas, pontes de trincas e extração de grãos longos, dissipando mais energia durante a propagação da fissura. Além disso, uma ampla distribuição nanopartículas nos limites dos grãos também podem impedir a propagação de trincas. Esses mecanismos foram responsáveis ​​pelo aumento da tenacidade à fratura e outras propriedades mecânicas, como resistência à flexão e à compressão. Assim, eles concluíram que a técnica MS-PAS era muito eficaz na fabricação de nanoestruturas hierárquicas com propriedades mecânicas aprimoradas [41]. 
Quando materiais nanocristalinos estão sendo considerados, tensão de escoamento, ductilidade, endurecimento por tensão, sensibilidade à taxa de deformação e resposta dinâmica, fluência e fadiga pode ser medida. No caso de tais materiais, a porosidade é inevitável fator. A porosidade normalmente diminui o módulo de Young. O estresse de rendimento materiais cristalinos varia de acordo com o tamanho do grão. A ductilidade também depende da tamanho de grão e geralmente varia positivamente, significando aumento nos aumentos de grão ductilidade. Segundo Koch, existem três fontes principais de ductilidade limitada em materiais nanocristalinos, a saber: (1) artefatos de processamento (por exemplo, poros), (2) instabilidade à tração e (3) nucleação de trincas ou instabilidade de cisalhamento. Entre estes, a eliminação de artefatos não é possível no caso de nanocristalinos materiais [42].
7.4 MEDIÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE NANOMATERIAIS 
Conforme mencionado nas seções anteriores, a microscopia é considerada a principal ferramenta para obter informações sobre a estrutura e as propriedades dos nanomateriais. As observações microscópicas são geralmente relacionadas ou explicadas por várias teorias elásticas. Embora a estrutura dos nanomateriais tenha se originado de diferentes métodos e materiais de síntese, a análise de propriedades mecânicas é realizada dependendo da dimensão do nanomaterial. Unidimensional nanomateriais, como nanofios, tubos, etc., são analisados ​​quanto ao módulo de elasticidade, resistência à fratura e módulode flexão usando técnicas assistidas por microscópio e teorias. Vários métodos foram desenvolvidos para testes mecânicos de nanofios (NWs), incluindo ressonância em elétrons de varredura ou transmissão microscópios (SEM / TEM), ressonância de flexão ou contato usando força atômica microscopia (AFM), tensão uniaxial em MEV ou TEM e nanoindentação. Simulação molecular e considerações teóricas também estão associadas as técnicas acima mencionadas. Qi e colegas exploraram a nanoindentação técnica para estudar nanotubos de carbono alinhados verticalmente. Eles mediram a média rigidez à flexão, módulo de flexão, módulo de parede e módulo axial do nanotubos constituintes nos CNTs alinhados verticalmente [42]. Kashyap e Patil considerado para determinar o módulo elástico dos CNTs. Eles concluíram sua estudo afirmando que o TEM permite a determinação do módulo de Young do nanotubos de carbono com paredes múltiplas sejam de 0,9 TPa por uma análise simples [43].
7.5 CONCLUSÕES 
Os nanomateriais são bem conhecidos por suas propriedades superiores, especialmente mecânicas força. O capítulo discutiu extensivamente sobre as várias propriedades de nanomateriais com ênfase especial nas propriedades mecânicas. O mecânico propriedades de diferentes nanomateriais como nanomateriais à base de carbono, materiais à base de metal, nanoestruturas e seus compósitos depende do tamanho, forma, distância interlaminar, etc. Deslocamentos e defeitos desempenham um papel vital na determinar as propriedades. Quando se trata de materiais compósitos, a interação do preenchimento adicionado e a matriz determina as propriedades finais. Microscópico investigação é a principal técnica para a análise de propriedades mecânicas, módulo especialmente elástico. Simulação teórica e aplicação de métodos adequados também foram encontrados modelos úteis na determinação das propriedades mecânicas.