A Multiscale Model for Cross-Sectional Structure Design of Twisted Carbon Nanotube Bundles

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Twisted multi-walled carbon nanotube (MWCNT) bundles have recently drawn a significant research interest due to their remarkable characteristics, including a high strength-to-weight ratio, virtually unlimited yarn length, and high electrical conductivity. Generally, twisted MWCNT bundles are produced by continuously drawing and spinning from a vertically aligned forest. By tightly twisting individual MWCNTs, close contact and strong intertube interactions are achieved, leading to highly compact slender structure. Twisted MWCNT bundle demonstrates a significantly enhanced tensile strain and stretchability compared to single MWCNT strand, making them suitable for various advanced applications, such as artificial muscles, energy harvesters, stretchable supercapacitors, battery electrodes, and mechanical sensors.
The most important feature of twisted MWCNT bundle for engineering application is its well- aligned cross-sectional structure. Specifically, the electric double layer on the cross-sectional interstitial of MWCNT bundles enables electrochemical harvesting and actuation. The toughness of nanocomposite can be significantly increased by selecting a polymer matrix with a yield strength similar to the strength of MWCNTs. The radially deformed MWCNT bundles can act as a continuum pad brake to halt in-plane rotation. Additionally, the cross-sectional deformation morphology of MWCNT bundle affects the thermal transfer performance for device application in deserted environment. In other words, understanding the cross-sectional deformation of MWCNTs is crucial, as they serve as important parameters for applications in designing mechanical, electrochemical, and thermodynamic devices. However, a direct simulation model to elucidate and design the cross- sectional structure of MWCNT bundles from nanometer to micrometer scale is still lacking. The main reason is the hierarchical structure of MWCNT bundles, and the design perspectives on atomic properties and continuous structures at the nano- and micrometer scales, respectively, have been developed individually.
Motivated by this, in this thesis, I introduce a multiscale coarse-grained (CG) representation to describe the cross-sectional deformation behavior of twisted MWCNT bundle. By fitting the interaction energy between the highly aligned MWCNTs with Morse potential function, the cross- sectional compressive stress and interstitial space profiles are reproduced compared to the all-atom results. The longitudinal bond stretching and angle scissoring potential functions are obtained from the classical beam theory. The stretching and bending simulations of CG model thus successfully reproduced the elastic modulus and bending rigidity of all-atom solid beam. Furthermore, the mechanical characteristics are extended to reversely estimate the structural deformation and interstitial changes from CG model to downscaled all-atom representation.
The developed multiscale model is first expanded to analyze the cross-sectional structure of micrometer-scale MWCNT bundle element. A key benefit of this multiscale model is that it enables representation of structural variability in cross-sections by linking configurations of multiple bundled sections. The primary contributors to orientational distortion in the bundles are the non- uniform pull-out force and load distribution imbalance that occur in yarn production. Thus, even well-aligned MWCNT bundles exhibit local bending and warping during fabrication, analyzing resulting stress concentrations and nanoscale deformations is essential. The representative volume element of one micrometer-sized MWCNT bundles is analyzed to verify its reproducibility of the cross-sectional structure behavior of all-atom MWCNT bundles.
To a step further, the multiscale model is expanded to design the engineering application process of MWCNT bundles. First, the twisting process of a cylindrical MWCNT bundle into a yarn is simulated using the multiscale CG model. A larger fraction of interstitial space was observed in the sheath region of the yarn, where large-diameter MWCNTs are mainly distributed. Small-diameter MWCNTs first swirled toward the inner core during the twisting process, causing the large-diameter MWCNTs to be sparsely distributed throughout the sheath region. To better understand the exchange mechanism, the mechanical behaviors of aligned MWCNTs with varying diameters is analyzed during the twisting. The small-diameter nanotubes easily penetrated the bundled structures under pressure owing to their low structural energy barrier. Secondly, bending of twisted MWCNT bundles is simulated. The mismatches in the twist angle of the MWCNT bundles are revealed to crucial for maintaining its structure during bending. Finally, the lasso-shaped MWCNT bundle is modeled and fabricated to physically transport a heavier nanoparticle. The lasso secured the grip during the particle removal process under lateral motion, highlighting the stability and robustness of the MWCNT bundle structure.
In summary, the developed multiscale model explicitly reproduces the structural and mechanical behaviors of cross-section of twisted MWCNT bundle from nanometer to micrometer scale, which is essential design parameter for engineering application of bundle-to-yarn-based devices.

국문 초록 (Abstract)

다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 다발이 꼬여 만든 원사는 높은 무게 대비 강성, 열, 전기 전도도를 가지는 동시에 매우 긴 원사 생산 능력을 보여 최근 큰 관심을 받는 신소재이다. 꼬임 MWCNT 다발 및 원사는 수직으로 길러낸 MWCNT 숲에서 평행한 방향으로 뽑아낸 후 지속적으로 끝을 회전하는 방법으로 생산된다. 개별 MWCNT를 꼬는 과정에서 강력한 표면 π-π 상호작용으로 인해 매우 조밀하고 가느다란 구조가 형성된다. 이 때문에 꼬임 MWCNT 다발은 단일 MWCNT에 비해 향상된 연신율과 신축성을 가져 인공 근육, 에너지 수확기, 신축성 캐퍼시터, 배터리 전극, 기계적 센서와 같은 다양한 첨단 디바이스의 응용 제작에 널리 활용되고 있다.
꼬임 MWCNT 다발의 공학적 응용은 이들의 단면 구조로부터 기인한다. 구체적으로는 MWCNT 다발의 단면 틈새공극에 형성되는 전기 이중층은 전기화학적 움직임 및 에너지 변환을 가능하게 한다. MWCNT 단면 강성과 유사한 고분자 기지재를 선정하면 종래의 나노복합재에 비해 기계적 인성을 크게 증가시킬 수 있다. 반경 방향으로 변형된 MWCNT 다발의 단면은 자체적으로 원통 회전을 멈추는 연속체 패드 브레이크 역할을 수행한다. 또한, MWCNT 다발의 단면 구조 변형에 따른 열 전달 성능 조절은 극환 환경에서의 디바이스의 성능을 결정한다. 이와 같이 MWCNT의 단면 구조는 다발 기반 디바이스를 설계할 때 필수적으로 이해되어야 하는 중요한 변수이다. 그러나 나노미터에서 마이크로미터 규모의 스케일을 아울러 MWCNT 다발의 단면 구조를 해석 설계할 수 있는 수치해석 모델의 개발은 상대적으로 더디다. 가장 큰 이유는 MWCNT 다발이 가지는 계층 구조 때문으로, 섬유의 원자특성과 구조패턴을 바라보는 관점이 개별적으로 발전되어 왔기 때문이다.
종래의 수치해석 모델들의 한계점에 착안하여, 본 논문에서는 멀티스케일 조립질(CG) 비드 치환 방법을 사용하여 마이크로미터 급 MWCNT 다발 꼬임의 단면구조를 해석 설계하는 방법을 소개한다. 먼저 길이 방향으로 나열된 MWCNT의 단면 방향 상호작용을 Morse 포텐셜 함수로 근사하여 전원자 스케일에서 보여지는 단면 응력 선도를 재현한다. 다음으로 고전적인 외팔보 에너지 근사 이론을 활용해 MWCNT 다발의 길이 방향 연신 및 굽힘 포텐셜 함수를 얻는다. 마지막으로 CG 비드에 걸리는 응력을 전원자 MWCNT 단면의 응력 선도에 추적해 변형량 및 주변 틈새공극 변화를 추정하는 방법을 추가해 멀티스케일 모델의 원자수준 물리적 엄밀성을 확보한다.
개발된 멀티스케일 수치해석 모델을 사용해 마이크로미터 스케일 MWCNT 다발 요소의 단면 구조를 먼저 분석한다. 길이가 긴 연속체 MWCNT 다발을 여러 요소로 나누어 재구성하는 방법으로 해석 가능한 공간 스케일을 확장하는 방법이 사용되었다. MWCNT 꼬임 다발의 품질에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 생산 시 발생하는 내부 하중 분포의 불균형이다. 이 영향을 파악하기 위해 실제 꼬임 MWCNT 다발의 제조 중 관찰되는 국부적인 보풀과 눌림점과 같은 극한 영역에서의 기계적 응력 집중을 해석하였다. 1 마이크로미터 급의 MWCNT 다발 대표 체적요소를 해석하여 전원자 MWCNT 다발의 단면 거동과의 유사성을 검증하였다.
나아가 멀티스케일 모델을 확장하여 MWCNT 다발의 공정 과정을 다방면으로 해석하였다. 먼저 원통형 MWCNT 다발을 원사로 꼬아가는 과정을 모사하였다. 꼬인 MWCNT 다발은 표면 영역에서 더 넓은 틈새 공극이 관찰되었으며, 특히 대직경 MWCNT 의 분포 특성을 관찰하였다. 이는 꼬임 중에 소직경 MWCNT가 먼저 내부로 소용돌이치며 단단한 코어를 만들어 놓기 때문이다. 공정 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해, 꼬임 중 다양한 직경을 가진 MWCNT가 교환될 때의 기계적 거동을 분석하였다. 소직경 MWCNT는 낮은 구조 에너지 준위로 인해 압력 하 다발 구조를 쉽게 뚫고 들어가는 기작을 밝혔다. 다음으로 꼬임 MWCNT 다발을 굽히는 과정을 모사하였다. MWCNT 다발의 꼬임각의 반경 방향으로 차이가 있어 굽힘 중 내부 틈새공극 구조를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 마지막으로 올가미 모양의 MWCNT 다발을 모델링하고 제작하여 더 무거운 나노입자를 물리적으로 이송하는 공정을 설계하였다. MWCNT 다발 올가미는 움직이거나 회전하는 환경 하에서도 단면 방향으로 입자와의 물리적 결합력을 강건하게 전달하는 것을 확인하였다.
본 논문에서 처음 소개된 멀티스케일 수치해석 모델은 나노미터에서 마이크로미터까지 꼬임 MWCNT 다발의 단면 구조 및 기계적 거동을 정밀하게 재현, 해석할 수 있다. 따라서 멀티스케일 모델은 향후 거대 크기의 탄소 원사 디바이스를 제작하는 전 과정에 설계, 해석 및 성능 검증 방법론으로써 활용될 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Table of Contents
• Abstract
• 1. Introduction
• 1.1. Flexible multi-walled carbon nanotube yarn
• 1.2. Role of cross-sectional structure of twisted MWCNT bundle
• 1.3. Numerical interpretation of mechanics of single MWCNT
• 1.4. Literature review on modeling of MWCNT bundle twist
• 1.5. Main objective of the thesis
• 2. Structural characterization of MWCNTs
• 2.1. Introduction of the section
• 2.2. Interatomic potential between carbon atoms
• 2.3. Biaxial compression of highly aligned MWCNT bundle
• 2.4. In-plane structure deformation of MWCNT bundle
• 2.5. Conclusion of the section
• 3. Cross-sectional structure design of MWCNT bundle
• 3.1. Introduction of the section
• 3.2. Effect of radial structural deformation of MWCNT on electric double layer capacitance change
• 3.3. Microscopic evaluation of volumetric actuation between MWCNTs
• 3.4. Critical collapse of MWCNT at demolition of electric double layer capacitance
• 3.5. Change in in-plane thermal conductivity of MWCNT bundles
• 3.6. Increased toughness of nanocomposite by using MWCNT inclusion
• 3.7. Nonlinear rotation dynamics of radially collapsed DWCNTs
• 3.8. Conclusion of the section
• 4. Multiscale model for MWCNT yarns
• 4.1. Introduction of the section
• 4.2. Non-bonded potentials between upscaled beads
• 4.3. Bonded potential functions in lengthwise direction
• 4.4. Structural and mechanical variables in upscaled model
• 4.5. Conclusion of the section
• 5. Application of multiscale model
• 5.1. Introduction of the section
• 5.2. Random motion of micrometer-scale bundle element
• 5.3. Local tightening of micrometer-scale bundle element
• 5.4. Twisting mechanics of micrometer-scale yarn
• 5.5. Bending mechanics of micrometer-scale yarn
• 5.6. In-plane granular distribution of MWCNTs due to twisting
• 5.7. Process-level design of particle transportation
• 5.8. Conclusion of the section
• 6. Conclusion
• 6.1. Concluding remarks
• 6.2. Recommendations and future work
• References
• Appendices
• List of Figures and Tables
• Declaration of Reuse Permission
• Abstract in Korean
• Acknowledgement