Estudo paramétrico da interação do laser pulsado de nanossegundos com o carbono

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2048 (2023) Citar este artigo

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Uma técnica de processamento a laser é proposta para o processamento de uma placa bipolar composta de nanotubos de carbono (CNT) de 2,5 mm de espessura para células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs). Este estudo visa entender a interação do laser com a placa de compósito CNT experimentalmente usando um laser pulsado de nanossegundos. Profundidade de penetração, largura superior, largura de respingos e morfologias físicas gerais são estudadas. O microscópio eletrônico de varredura (SEM) e o microscópio confocal de varredura 3D foram usados ​​para observação e medições. Com base nisso, uma investigação paramétrica é conduzida e relatada sistematicamente. Mais importante ainda, a taxa de repetição de pulso apresenta uma natureza única de interação que resultou em uma taxa de repetição crítica distinguindo três regimes operacionais. As propriedades físicas e químicas dos regimes são posteriormente analisadas por testes de microdureza Vickers e análises de energia dispersiva de raios X (EDX) realizadas na superfície e na seção transversal de cada amostra. Os resultados revelam que a taxa de repetição do pulso introduz mudanças nas propriedades mecânicas e composições químicas nas proximidades da região processada. Em conclusão, a menor repetição de pulso deve ser favorecida para menor impacto nas propriedades mecânicas, composição química e aspectos morfológicos.

Os nanotubos de carbono (CNTs) têm propriedades mecânicas notavelmente excelentes (módulo de elasticidade e resistência à tração) e condutividades elétrica e térmica superiores, tornando-os materiais condutores rígidos e fortes com baixo peso em comparação com o aço e outros materiais estruturais1. Isso estimulou muita atenção na sociedade compósita avançada em seu uso como materiais de reforço para o avanço dos materiais compósitos2. Esses compósitos estão sendo usados ​​para várias aplicações em sistemas vestíveis (têxteis inteligentes), robótica e dispositivos eletrônicos de última geração e sistemas de conversão de energia3,4,5. Além das notáveis ​​propriedades mecânicas, elétricas e térmicas, os NTCs possuem altas relações superfície-volume resultantes de seus pequenos diâmetros, que são da ordem de poucos nanômetros. Isso criou uma grande oportunidade para os compósitos CNT, particularmente em baterias e dispositivos de conversão de energia, onde o aumento da área de superfície de contato efetiva dos eletrodos por volume desempenha um papel significativo na eficiência da conversão de energia6,7,8. Os CNTs são identificados como aplicação potencialmente útil em sistemas de baterias de íons de lítio, células de combustível e células solares9,10,11. Um composto CNT com uma nanopartícula de metal como eletrodo dobra o desempenho das células de combustível de hidrogênio devido ao aumento da atividade catalítica dos eletrodos baseados em nanotubos de carbono12,13. Outros estudos apontaram a relevância e as aplicações dos NTCs em baterias de íon-lítio14, filmes condutivos elásticos e transparentes15 e telas planas16.

Seguindo a crescente demanda e aplicabilidade de CNTs em vários campos tecnológicos, o desenvolvimento de processos de fabricação eficazes é vital para o processamento de compósitos CNT no tamanho, forma e qualidade desejados. Qualquer método de fabricação selecionado para o processamento de compósitos CNT deve garantir danos mínimos à estrutura CNT que possam resultar de pressão, calor ou reação química com o material da matriz. Processos convencionais como usinagem e moldagem estão associados a certas desvantagens. Como os CNTs têm alta resistência e dureza, os métodos convencionais de usinagem causariam desgaste intensivo da ferramenta, reduzindo a vida útil da ferramenta e aumentando o custo de produção17. O alinhamento dos NTCs em compósitos moldados é significativamente afetado pelo fluxo de cisalhamento no processo de moldagem levando a alterações indesejadas em suas estruturas e propriedades18.

Os avanços contínuos no desempenho dos lasers nas últimas décadas melhoraram sua capacidade em vários campos, incluindo energia, biotecnologia, eletrônica e engenharia mecânica19. No corte de compósitos poliméricos, os lasers oferecem uma variedade de vantagens, incluindo altas velocidades de produção sem deficiências associadas ao desgaste da ferramenta e vibração20,21. Os lasers são especificamente vantajosos no processamento de materiais difíceis de usinar22, como compósitos de fibra de carbono e compósitos de grafite devido à sua fragilidade e dureza.