Mechanical properties of carbon nanotubes and their polymer nanocomposites

Journal of Nanoscience and Nanotechnology

Volumn 5, Issue 10, 2005, Pages 1593-1615

  Miyagawa, Hiroaki ^a   Misra, Manjusri ^b   Mohanty, Amar K ^a  

^a Michigan State University   (United States)

^b Michigan State University   (United States)

Author keywords

Carbon nanocoils; Carbon nanotubes; Elastic modulus; Fatigue; Fracture toughness; Polymer nanocomposites; Raman spectroscopy; Reinforcing effect; Surface modification; Vapor grown carbon fibers

Indexed keywords

CARBON NANOCOILS; MULTI-WALL CARBON NANOTUBES (MWCNT); POLYMER NANOCOMPOSITES; VAPOR GROWN CARBON FIBERS (VFCF);

CARBON NANOTUBES; COMPOSITE MATERIALS; ELASTIC MODULI; FRACTURE TOUGHNESS; MECHANICAL PROPERTIES; POLYMERS; RAMAN SPECTROSCOPY; SURFACE TREATMENT; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY;

NANOSTRUCTURED MATERIALS;

CARBON NANOTUBE; NANOMATERIAL; POLYMER;

CHEMISTRY; CRYSTALLIZATION; ELASTICITY; HARDNESS; INSTRUMENTATION; MATERIALS TESTING; MECHANICAL STRESS; MECHANICS; METHODOLOGY; NANOTECHNOLOGY; PARTICLE SIZE; REVIEW; SHEAR STRENGTH; SURFACE PROPERTY; ULTRASTRUCTURE;

CRYSTALLIZATION; ELASTICITY; HARDNESS; MATERIALS TESTING; MECHANICS; NANOSTRUCTURES; NANOTECHNOLOGY; NANOTUBES, CARBON; PARTICLE SIZE; POLYMERS; SHEAR STRENGTH; STRESS, MECHANICAL; SURFACE PROPERTIES;

EID: 32944456170     PISSN: 15334880     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1166/jnn.2005.181     Document Type: Article

References (143)

1. S. Iijima, Nature 354, 56 (1991).
2. S. Iijima, Nature 363, 603 (1993).
3. D. S. Bethune, C. H. Kiang. M. S. Devries, G. Gorman, R. Savoy, J. Vazquez, and R. Beyers, Nature 363, 605 (1993).
4. R. S. Ruoff and D. C. Lorents, Carbon 33, 925 (1995).
5. C. F. Cornwall and L. T. Wille, Solid State Commun. 101, 555 (1997).
6. G. H. Gao, T. Cagin, and W. A. Goddard, Nanotechnology 9, 184 (1998).
7. S. B. Sinnott, O. A. Shenderova, C. T. White, and D. W. Brenner, Carbon 36, 1 (1998).
8. C. Goze, L. Vaccarini, L. Henrard, P. Bernier, E. Hernandez, and A. Rubio, Synthetic Metals 103, 2500 (1999).
9. http://www.apsci.com
10. http://www.nanomirae.co.kr
11. N. M. Rodriguez., A. Chambers, and R. T. K. Baker, Langmuir 11, 3862 (1995).
12. O. L. Blakslee, D. G. Proctor, E. J. Seldin, G. B. Spence, and T. Weng, J. Appl. Phys. 41, 3373 (1970).
13. http://www.cnanotech.com
14. http://home.flash.net/~buckyusa/
15. http://www.helixmaterial.htm
16. http://www.nanomar.com
17. http://www.xnri.com/English/index.html
18. C. Journet and P. Bernier, Appl. Phys. A-Mater. Sci. Proc. 67, 1 (1998).
19. T. Guo, P. Nikolaev, A. Thess, D. T. Colbert, and R. E. Smalley, Chem. Phys. Lett. 243, 49 (1995).
20. A. G. Rinzler, J. Liu, H. Dai, P. Nikolaev, C. B. Huffman, F. J. Rodriguez-Macias, P. J. Boul, A. H. Lu, D. Heymann, D. T. Colbert, R. S. Lee, J. E. Fischer, A. Rao, P. C. Eklund, and R. E. Smalley, Appl. Phys. A-Mater. Sci. Proc. 67, 29 (1998).
21. T. W. Ebbesen and P. M. Ajayan, Nature 358, 220 (1992).
22. K. Mukhopadhyay, A. Koshio, N. Tanaka, and H. Shinohara, Japanese J. Appl. Phys.: Part 2 Lett. 37, L1257 (1998).
23. V. Z. Mordkovich, Theoretical Foundations of Chemical Engineering 37, 429 (2003).
24. M. M. J. Tracy, T. W. Ebbesen, and J. M. Gibson, Nature 381, 678 (1996).
25. A. Krishnan, E. Dujardin, T. W. Ebbesen, P. N. Yianilos, and M. M. J. Treacy, Phys. Rev. B 58, 14013 (1998).
26. E. W. Wong, P. E. Sheehan, and C. M. Lieber, Science 277, 1971 (1997).
27. O. Lourie and H. D. Wagner, J. Mater. Res. 13, 2418 (1998).
28. J.-P. Salvetat, A. J. Kulik, J.-M. Bonard, G. A. D. Briggs, T. Stoeckli, K. Metenier, S. Bonnamy, F. Beguin, N. A. Burnham, and L. Forro, Adv. Mater. 11, 161 (1999).
29. J.-P. Salvetat, G. A. B. Briggs, J. M. Bonard, R. R. Basca, A. J. Kulik, T. Stoeckli, N. A. Burnham, and L. Forro, Phys. Rev. Lett. 82, 944 (1999).
30. Z. W. Pan, S. S. Xie, L. Lu, B. H. Chang, L. F. Sun, W. Y. Zhou, G. Wang, and D. L. Zhang, Appl. Phys. Lett. 74, 3152 (1999).
31. S. S. Xie, W. Z. Li, Z. W. Pan, B. H. Chang, and L. F. Sun, J. Phys. Chem. Solids 61, 1153 (2000).
32. P. Poncharal, Z. L. Wang, D. Ugarte, and W. A. de Heer, Science 283, 1513 (1999).
33. W. Shen, B. Jiang, B. S. Han, and S.-S. Xie, Phys. Rev. Lett. 84, 3634 (2000).
34. J. R. Wood, M. D. Frogley, E. R. Meurs, A. D. Prins, T. Peijs, D. J. Dunstan, and H. D. Wagner, J. Phys. Chem. B 103, 10388 (1999).
35. M.-F. Yu, O. Lourie, M. J. Dyer, K. Moloni, T. F. Kelly, and R. S. Ruoff, Science 287, 637 (2000).
36. M.-F. Yu, B. S. Files, S. Arepalli, and R. S. Ruoff, Phys. Rev. Lett. 84, 5552 (2000).
37. H. W. Zhu, C. L. Xu, D. H. Wu, B. Q. Wei, R. Vajtai, and P. M. Ajayan, Science 296, 884 (2002).
38. B. G. Demczyk, Y. M. Wang, J. Cumings, M. Hetman, W. Han, A. Zetti, and R. O. Ritchie, Mater. Sci. Eng. A-Struct. Mater. Properties Microstructure and Processing 334, 173 (2002).
39. S. Govindjee and J. L. Sackman, Solid State Commun. 110, 227 (1999).
40. Y. Li, K. Wang, J. Wei, Z. Gu, Z. Wang, J. Luo, and D. Wu, Carbon 43, 31 (2005).
41. J. Q. Wei, B. Jiang, D. H. Wu, and B. Q. Wei, J. Phys. Chem. B 108, 8844 (2004).
42. S. Motojima, X. Chen, T. Kuzuya, W.-I. Hwang, M. Fujii, and H. Iwanaga, J. Phys. IV France Part 1 9, 445 (1999).
43. X. Chen, W.-I. Hwang, S. Shimada, M. Fujii, H. Iwanaga, and S. Motojima, J. Mater. Res. 15, 808 (2000).
44. H. Takikawa, M. Yatsuki, R. Miyano, M. Nagayama, T. Sakakibara, S. Itoh, and Y. Ando, Japanese J. Appl. Phys. Part I 39, 5177 (2000).
45. M. Zhang, Y. Nakayama, and L. Pan, Japanese J. Appl. Phys. Part 2 39, L1242 (2000).
46. L. Pan, M. Zhang, and Y. Nakayama, J. Appl. Phys. 91, 10058 (2002).
47. L. Pan, T. Hayashida, and Y. Nakayama, J. Mater. Res. 17, 145 (2002).
48. T. Katsumata, Y. Fujimura, M. Nagayama, H. Tabata, H. Takikawa, Y. Hibi, T. Sakakibara, and S. Itoh, Trans. Mater. Res. Soc. Japan 29, 501 (2004).
49. T. Hayashida, L. Pan, and Y. Nakayama, Physica B-Condensed Matter 323, 352 (2002).
50. X. Chen, S. Zhang, D. A. Dikin, W. Ding, R. S. Ruoff, L. Pan, and Y. Nakayama, Nano Lett. 3, 1299 (2003).
51. A. Sudoh, H. Daioh, and S. Morimoto, International Symposium on Carbon 8B09, 518 (1990).
52. O. Lourie, D. M. Cox, and H. D. Wagner, Phys. Rev. Lett. 81, 1638 (1998).
53. D. A. Walters, K. M. Ericson, M. J. Casavant, J. Liu, D. T. Colbert, K. A. Smith, and R. E. Smalley, Appl. Phys. Lett. 74, 3803 (1999).
54. F. Li, H. M. Cheng, S. Bai, G. Su, and M. S. Dresselhaus, Appl. Phys. Lett. 77, 3161 (2000).
55. C. A. Cooper, S. R. Cohen, A. H. Barber, and H. D. Wagner, Appl. Phys. Lett. 84, 3873 (2002).
56. Y.-L. Li, I. A. Kinloch, and A. H. Windle, Science 304, 276 (2004).
57. J. Chen, M. A. Hamon, H. Hu, Y. Chen, A. M. Rao, P. C. Eklund, and R. C. Haddon, Science 282, 95 (1998).
58. M. A. Hamon, J. Chen, H. Hu, Y. Chen, M. E. Itkis, A. M. Rao, P. C. Eklund, and R. C. Haddon, Adv. Mater. 11, 834 (1999).
59. W. Huang, Y. Lin, S. Taylor, J. Goillard, A. M. Rao, Y.-P. Sun, Nano. Lett 2, 231 (2002).
60. R. J. Chen, Y. Zhang, D. Wang, and H. Dai, J. Amer. Chem. Soc. 123, 3838 (2001).
61. J. Zhu, J. D. Kim, H. Pend, J. L. Margrave, V. N. Khabashesku, and E. V. Barrera, Nano Lett. 3, 1107 (2003).
62. J. Zhu, H. Peng, F. Rodriguez-acias, J. L. Margrave, V. N. Khabashesku, A. M. Imam, K. Lozano, and E. V. Barrera, Adv. Funct. Mater. 14, 643 (2004).
63. H. Miyagawa and L. T. Drzal, Compos. Part A: Appl. Sci. Manufact., in press.
64. Y. Breton, S. Delpeux, R. Benoit, J.-P. Salvetat, C. Sinturel, F. Beguin, S. Bonnamy, G. Desarmot, and L. Boufendi, Molecular Crystals and Liquid Crystals 387, 359 (2002).
65. T. Nakajima, S. Kasamatsu, and Y. Matsuo, European J. Solid State and Inorganic Chemistry 33, 831 (1996).
66. E. T. Mickelson, C. B. Huhhman, A. G. Rinzler, R. E. Smalley, R. H. Hauge, and J. L. Margrave, Chem. Phys. Lett. 296, 188 (1998).
67. K. N. Kudin, G. E. Scuseria, and B. I. Yakobson, Phys. Rev. B 64, 235406 (2001).
68. W. Zhao, C. Song, B. Zheng, J. Liu, and T. Viswanathan, J. Phys. Chem. B 106, 293 (2002).
69. P. E. Phersson, W. Zhao, J. W. Baldwin, C. Song, J. Liu, S. Kooi, and B. Zheng, J. Phys. Chem. B 107, 5690 (2003).
70. E. T. Mickelson, I. W. Chiang, J. L. Zimmerman, P. J. Boul, J. Lozano, J. Kiu, R. E. Smalley, R. H. Hauge, and J. L. Margrave, J. Phys. Chem. B 103, 4318 (1999).
71. C. M. Ma and Y. Xia, Colloids and Surfaces 66, 215 (1992).
72. C. M. Gonzalez-Garcia, M. K. Gonzaex-Martin, V. Gomez-Serrano, J. M. Bruque, and L. Labajos-Broncano, Langmuir 18, 3950 (2000).
73. J. E. Riggs, D. B. Walker, D. L. Carroll, and Y.-P. Sun, J. Phys. Chem. B 104, 7071 (2000).
74. R. Bandyopadhyaya, E. Nativ-Roth, O. Regev, and R. Yerushami-Rozen, Nano Lett. 2, 25 (2002).
75. B. Vigoio, A. Penicaud, C. Coulon, C. Sauder, R. Pailler, C. Journet, P. Bernier, and P. Poulin, Science 290, 1331 (2000).
76. X. Zhang, T. Liu, T. V. Sreekumar, S. Kumar, V. C. Moore, R. H. Hauge, and R. E. Smalley, Nano Lett. 3, 1285 (2003).
77. X. Gong, J. Liu, S. Baskaran, R. D. Voise, and J. S. Young, Chem. Mater. 12, 1049 (2000).
78. S. Cui, R. Canet, A. Derre, M. Couzi, and P. Delhaes, Carbon 41, 797 (2003).
79. A. Star, D. W. Steuerman, J. R. Heath, and J. F. Stoddart, Angew. Chem. Int. Ed. 41, 2508 (2002).
80. R. Dagani, Chem. Eng. News 80, 38 (2002).
81. A. Allaoui, S. Bai, H. M. Cheng, and J. B. Bai, Compos. Sci. Technol. 62, 1993 (2002).
82. X. J. Xu, M. M. Thwe, C. Shearwood, and K. Liao, Appl. Phys. Lett. 81, 2833 (2002).
83. D. Puglia, L. Valentini, and J. M. Kenny, J. Appl. Polym. Sci. 88, 452 (2003).
84. K. T. Lau, S. Q. Shi, L. M. Zhou, and H. M. Cheng, J. Compos. Mater. 37, 365 (2003).
85. D. Penumadu, A. Dutta, G. M. Pharr, and B. Files, J. Mater. Res. 18, 1849 (2003).
86. Y. Breton, G. Desarmot, J. P. Salvetat, S. Delpeux, C. Sinturel, F. Beguin, and S. Bonnamy, Carbon 42, 1027 (2004).
87. F. H. Gojny and K. Schulte, Compos. Sci. Technol. 64, 2303 (2004).
88. H. Miyagawa and L. T. Drzal, Polymer 45, 5163 (2004).
89. H. Miyagawa, A. K. Mohanty, L. T. Drzal, and M. Misra, Nano-technology 16, 118 (2005).
90. Z. Wang, Z. Liang, B. Wang, C. Zhang, and L. Kramer, Compos. Part A: Appl. Sci. Manufact. 35, 1225 (2004).
91. B. Safedi, R. Andrews, and E. A. Grulke, J. Appl. Polym. Sci. 84, 260 (2002).
92. R. Haggenmueller, W. Zhou, J. E. Fischer, and K. I. Winey, J. Nanosci. Nanotech. 3, 105 (2003).
93. Y. Z. Bin, M. Kitanaka, D. Zhu, and M. Matsuo, Macromolecules 36, 6213 (2003).
94. W. Tang, M. H. Santare, and S. G. Advani, Carbon 41, 2779 (2003).
95. C. A. Cooper, D. Ravich, D. Lips, J. Mayer, and H. D. Wagner, Compos. Sci. Tech. 62, 1105 (2002).
96. F. Du, J. E. Fischer, and K. I. Winey, J. Polym. Sci.: Part B: Polym. Phys. 41, 3333 (2003).
97. R. E. Gorga and R. E. Cohen, J. Polym. Sci.: Part B: Polym. Phys. 42, 2690 (2004).
98. J. Zeng, B. Saltysiak, W. S. Johnson, D. A. Schiraldi, and S. Kumar, Compos. Part B: Eng. 35, 173 (2004).
99. S. Kumar, T. D. Dang, F. E. Arnold, A. R. Bhattacharyya, B. G. Min, X. Zhang, R. A. Vaia, C. Park, W. W. Adams, R. H. Hauge, R. E. Smalley, S. Ramesh, and R. A. Willis, Macromolecules 35, 9039 (2002).
100. M. Cadek, J. N. Coleman, V. Barron, K. Hedicke, and W. J. Blau, Appl. Phys. Lett. 81, 5123 (2002).
101. M. C. Paiva, B. Zhou, K. A. S. Fernando, Y. Lin, J. M. Kennedy, and Y.-P. Sun, Carbon 42, 2849 (2004).
102. Z. Roslaniec, G. Broza, and K. Schulte, Compos. Interfaces 10, 95 (2003).
103. P. Poetschke, A. R. Bhattacharyya, A. Janke, and H. Goering, Compos. Interfaces 10, 389 (2003).
104. O. Meincke, D. Kaempfer, H. Weickmann, C. Friedrich, M. Vathauer, and H. Warth, Polymer 45, 739 (2004).
105. W. D. Zhang, L. Shen, I. Y. Phang, and T. Liu, Macromolecules 37, 256 (2004).
106. T. Liu, I. Y. Phang, L. Shen, S. Y. Chow, and W.-D. Zhang, Macromolecules 37, 7214 (2004).
107. H. Miyagawa, M. J. Rich, and L. T. Drzal, Polym. Compos. 26, 42 (2005).
108. J. C. Halpin and S. W. Tsai, Air Force Technical Report AFML-TR 67, Wright Aeronautical Labs, Dayton OH (1967).
109. G. P. Tandon and G. J. Weng, Compos. Sci. Tech. 27, 111 (1986).
110. C. Y. Hui and D. Shia, Polym. Eng. Sci. 38, 774 (1998).
111. A. H. Barber, S. R. Cohen, and H. D. Wagner, Appl. Phys. Lett. 82, 4140 (2003).
112. S. J. V. Frankland, A. Caglar, D. W. Brenner, and M. Griebel, J. Phys. Chem. 81, 2046 (2002).
113. A. H. Barber, S. R. Cohen, S. Kenig, and H. D. Wagner, Compos. Sci. Tech. 64, 2283 (2004).
114. C. Zilg, R. Muelhaupt, and J. Finter, Macromol. Chem. Phys. 200, 661 (1999).
115. A. S. Zerda and A. J. Lesser, J. Polym. Sci.: Part B: Polym. Phys. 39, 1137 (2001).
116. X. Kornmann, R. Thomann, R. Muelhaupt, J. Finter, and L. Berglund, J. Appl. Polym. Sci. 86, 2643 (2002).
117. X. Kornmann, R. Thomann, R. Muelhaupt, J. Finter, and L. Berglund, Polym. Eng. Sci. 42, 1815 (2002).
118. A. J. Kinloch and A. C. Taylor, J. Mater. Sci. Lett. 22, 1439 (2003).
119. H. Miyagawa and L. T. Drzal, J. Adhes. Sci. Technol. 18, 1571; (2004).
120. H. Miyagawa, A. K. Mohanty, L. T. Drzal, and M. Misra, Indust. Eng. Chem. Res. 43, 7001 (2004).
121. K. Wang, L. Chen, J. Wu, M. L. Toh, C. He, and A. F. Yee, Macro-molecules 38, 788 (2005).
122. D. Qian, E. C. Dickey, R. Andrews, and T. Rantell, Appl. Phys. Lett. 76, 2868 (2000).
123. F. H. Gojny, J. Nastalczyk, Z. Roslaniec, and K. Schulte, Chem. Phys. Lett. 370, 820 (2003).
124. F. H. Gojny, M. H. G. Wichmann, U. Koepke, B. Fiedler, and if K. Schulte, Compos. Sci. Technol. 64, 2363 (2004). 1
125. H. Miyagawa, A. K. Mohanty, L. T. Drzal, and M. Misra, International Conference on Recent Advances of Composite Materials (ICRACM), edited by V. K. Srivastava and M. Singh, Allied Publishers PVT. LTD., Varanasi, India (2004), p. 281.
126. Y. Ren, F. Li, H. M. Cheng, and K. Liao, Adv. Compos. Lett. 21, 19 (2003).
127. Y. Ren, Y. Q. Fu, K. Liao, F. Li, and H. M. Cheng, Appl. Phys. Lett. 84, 2811 (2004).
128. C. Galiotis, Compos. Sci. Technol. 42, 125 (1991).
129. N. Sato, N. Tatsuda, and T. Kurauchi, J. Mater. Sci. Lett. 11, 365 (1992).
130. H. Sakata, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, and M. Endo, J. Appl. Phys. 63, 2769 (1988).
131. L. S. Schadler, S. C. Giannaris, and P. M. Ajayan, Appl. Phys. Lett. 73, 3842 (1998).
132. C. A. Cooper and R. J. Young, J. Roman Spectr. 30, 929 (1999).
133. C. A. Cooper, R. J. Young, and M. Halsall, Compos. Part A: Appl. Sci. Manufact. 32, 401 (2001).
134. J. R. Woods, Q. Zhao, and H. D. Wagner, Compos. Part A: Appl. Sci. Manufact. 32, 391 (2001).
135. Q. Zhao, J. R. Woods, and H. D. Wagner, Appl. Phys. Lett. 78, 1748 (2001).
136. Q. Zhao, M. D. Frogley, and H. D. Wagner, Compos. Sci. Technol. 62, 147 (2002).
137. Q. Zhao, M. D. Frogley, and H. D. Wagner, Compos. Sci. Technol. 61, 2139 (2001).
138. Q. Zhao, M. D. Frogley, and H. D. Wagner, Polym. Adv. Technol. 13, 759 (2002).
139. Q. Zhao and H. D. Wagner. Compos. Part A: Appl. Sci. Manufact. 34, 1219 (2003).
140. S. L. Ruan, P. Gao, X. G. Yang, and T. X. Yu, Polymer 44, 5643 (2003).
141. C. C. Kao and R. J. Young, Compos. Sci. Technol. 64, 2291 (2004).
142. D. A. Smith, S. Webster, M. Ayad, S. D. Evans, D. Fogherty, and D. Batchelder, Ultramicroscopy 61, 247 (1995).
143. C. L. Jahncke, H. D. Halen, and M. A. Paesler, J. Roman Spectr. 21, 579 (1998).