Studio parametrico dell'interazione del laser pulsato a nanosecondi con il carbonio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2048 (2023) Citare questo articolo

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Viene proposta una tecnica di lavorazione laser per la lavorazione di una piastra bipolare composita di nanotubi di carbonio (CNT) di 2,5 mm di spessore per celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC). Questo studio mira a comprendere sperimentalmente l'interazione del laser con la piastra composita CNT utilizzando un laser pulsato a nanosecondi. Vengono studiate la profondità di penetrazione, la larghezza superiore, la larghezza degli spruzzi e le morfologie fisiche complessive. Per l’osservazione e le misurazioni sono stati utilizzati il ​​microscopio elettronico a scansione (SEM) e il microscopio confocale a scansione 3D. Sulla base di ciò, viene condotta un'indagine parametrica e riportata sistematicamente. Ancora più importante, il tasso di ripetizione degli impulsi presenta una natura unica di interazione che ha portato a un tasso di ripetizione critico che distingue tre regimi operativi. Le proprietà fisiche e chimiche dei regimi vengono ulteriormente analizzate mediante test di microdurezza Vickers e analisi a raggi X a dispersione di energia (EDX) eseguite sulla superficie e sulla sezione trasversale di ciascun campione. I risultati rivelano che la frequenza di ripetizione dell'impulso introduce cambiamenti nelle proprietà meccaniche e nelle composizioni chimiche in prossimità della regione lavorata. In conclusione, si dovrebbe privilegiare una minore ripetizione degli impulsi per un minore impatto sulle proprietà meccaniche, sulla composizione chimica e sugli aspetti morfologici.

I nanotubi di carbonio (CNT) hanno proprietà meccaniche straordinariamente eccezionali (modulo elastico e resistenza alla trazione) e conduttività elettrica e termica superiori, che li rendono materiali conduttori rigidi e resistenti con un peso ridotto rispetto all'acciaio e ad altri materiali strutturali1. Ciò ha stimolato una grande attenzione nella società avanzata dei compositi riguardo al loro utilizzo come materiali di rinforzo per il progresso dei materiali compositi2. Questi compositi vengono utilizzati per varie applicazioni in sistemi indossabili (tessuti intelligenti), robotica, dispositivi elettronici di prossima generazione e sistemi di conversione dell'energia3,4,5. Oltre alle notevoli proprietà meccaniche, elettriche e termiche, i CNT possiedono elevati rapporti superficie-volume derivanti dai loro piccoli diametri, che sono dell'ordine di pochi nanometri. Ciò ha creato una grande opportunità per i compositi CNT, in particolare nelle batterie e nei dispositivi di conversione dell'energia, dove la maggiore superficie di contatto effettiva degli elettrodi per volume gioca un ruolo significativo nell'efficienza di conversione dell'energia6,7,8. I CNT sono identificati come applicazione potenzialmente utile nei sistemi di batterie agli ioni di litio, nelle celle a combustibile e nelle celle solari9,10,11. Un composito CNT con una nanoparticella metallica come elettrodo raddoppia le prestazioni delle celle a combustibile a idrogeno grazie alla maggiore attività catalitica degli elettrodi basati su nanotubi di carbonio12,13. Altri studi hanno sottolineato la rilevanza e le applicazioni dei CNT nelle batterie agli ioni di litio14, nelle pellicole conduttive elastiche e trasparenti15 e nei display a schermo piatto16.

A seguito della crescente domanda e applicabilità dei CNT in vari campi tecnologici, lo sviluppo di processi di produzione efficaci è vitale per trasformare i compositi CNT nella dimensione, forma e qualità desiderate. Qualsiasi metodo di produzione selezionato per la lavorazione dei compositi CNT deve garantire il minimo danno alla struttura del CNT che potrebbe derivare dalla pressione, dal calore o dalla reazione chimica con il materiale della matrice. I processi convenzionali come la lavorazione meccanica e lo stampaggio sono associati ad alcuni svantaggi. Poiché i CNT hanno elevata resistenza e durezza, i metodi di lavorazione convenzionali causerebbero un’intensa usura degli utensili, riducendone la durata e aumentando i costi di produzione17. L'allineamento dei CNT nei compositi stampati è significativamente influenzato dal flusso di taglio nel processo di stampaggio che porta a cambiamenti indesiderati nelle sue strutture e proprietà18.

I continui progressi nelle prestazioni dei laser negli ultimi decenni hanno migliorato la loro capacità in vari campi, tra cui energia, biotecnologia, elettronica e ingegneria meccanica19. Nel taglio dei compositi polimerici, i laser offrono numerosi vantaggi, tra cui elevate velocità di produzione senza inconvenienti associati all'usura e alle vibrazioni dell'utensile20,21. I laser sono particolarmente vantaggiosi nella lavorazione di materiali difficili da lavorare22, come i compositi in fibra di carbonio e i compositi in grafite, a causa della loro fragilità e durezza.