Comportamento em fluência sob variação de temperatura e condutividade elétrica em solicitação cíclica de filamentos de nanotubos de carbono
Resumo
A popularização de dispositivos eletrônicos portáteis faz com que a busca por
sistemas cada vez mais flexíveis, adaptáveis e energeticamente autossuficientes se
intensifique. A rigidez estrutural da eletrônica tradicional e a necessidade de
fornecimento de energia a partir de baterias convencionais representam barreiras ao
avanço tecnológico. Nesse cenário os nanomateriais, especialmente à base de
carbono, se mostram opções promissoras para o desenvolvimento de dispositivos
flexíveis cada vez mais compactos. Além disso, esses materiais são capazes de
capturar a energia de fontes ambientais, como fontes luminosas, térmicas, mecânicas,
etc., e transformá-las em energia utilizável, tornando-os autossuficientes. Se tratando
de colheita mecânica de energia, os filamentos de nanotubos de carbono (CNTYs)
tem se mostrado uma alternativa em potencial para essa aplicação. Além das suas
excelentes propriedades mecânicas e elétricas, esses nanotubos na forma de
filamentos macroscópicos apresentam, também, a capacidade de converter energia
mecânica em elétrica, possibilitando sua utilização como sensores, atuadores,
músculos artificiais, entre outros. Embora haja grande expectativa em torno desses
materiais, eles ainda se encontram na fronteira do conhecimento e requerem mais
estudos para uma melhor compreensão de suas características e respostas,
principalmente em ambientes adversos e extremos, como solicitações dinâmicas e
variação de temperatura. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo a
avaliação de CNTYs em condições estáticas e dinâmicas, bem como avaliação de
resposta elétrica em solicitações dinâmicas. Para isso, CNTYs foram produzidos pelo
método forest spinning, sendo confeccionados com 5 camadas de filmes de
nanotubos com largura de 55 mm, torcidos 2000 vezes por metro, e densificados com
acetona. Durante o processo de torção, os filamentos foram tensionados com uma
carga de 5 g. Os nanotubos foram caracterizados por microscopia e espectroscopia
Raman. Posteriormente, foram avaliados por ensaios mecânicos de tração e fluência,
onde a fluência foi baseada no percentual da carga de ruptura obtida nos testes de
tração (50, 70 e 80% YBL) da carga de ruptura. Ainda, esses ensaios foram realizados
com variação de temperatura, (25 e 50°C). Após os ensaios mecânicos, a ruptura dos
filamentos foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura, buscando entender o
mecanismo sofrido pelos filamentos. Além disso, a condutividade elétrica dos
filamentos foi avaliada de forma in situ, durante ciclos definidos de fadiga, de modo a
entender a influência dos estiramentos dos CNTYs sob cargas cíclicas de
tração/relaxamento na sua condutividade elétrica. A produção resultou em filamentos
densos, uniformes e com boa reprodutibilidade, tendo seu diâmetro médio de 89,69 ±
3,47 µm, ângulo de hélice médio de 28,56 ± 1,87º e carga máxima sob tração em
média de 1,65 ± 0,5 N. Seu mecanismo de falha apresentou uma densificação
mecânica que precede a ruptura. Inicialmente há uma eliminação de vazios na
estrutura gerando maior interação entre eles. Sob fluência os filamentos ensaiados
em 50ºC apresentaram tempos de falha menores se comparados aos de 25ºC,
atribuído a agitação térmica ocasionada pela alta temperatura. A deformação cresceu
com o aumento do percentual de carga para ambas as temperaturas. Quanto ao
comportamento elétrico, os ciclos de solicitação mecânica proporcionaram melhorias
na condutividade elétrica dos filamentos devido a possível aproximação dos
nanotubos e eliminação de vazio na estrutura.