Forskere fremstiller polyacrylonitril-afledte kulstoffilm og -fibre ved høj temperatur

Superman kan presse en kulklump og forvandle den til en funklende diamant - i tegneserier, alligevel. Der er en vis videnskabelig validitet i denne fiktive bedrift. Kul og diamanter er begge sammensat af kulstof. De to materialer adskiller sig i deres mikroskopiske arrangement af atomer, og det fører til en hel forskel i udseende, ledningsevne, hårdhed og andre egenskaber.

Som dette viser, mikrostrukturen af ​​kulstofbaserede materialer er vigtig. Optimering af kulstofmikrostruktur kan gavne applikationer inden for energilagring, sensorer og næste generation af nukleare materialesystemer.

Nu har en gruppe forskere ved Idaho National Laboratory (INL) gennemført en undersøgelse, der kan føre til forbedrede metoder til at finjustere kulstofmikrostrukturen. Forskerne rapporterede om deres arbejde i juni 2020 Materialer i dag Kemi papir.

Skaber krystallinsk struktur

Kunal Mondal, en INL-materialevidenskabsforsker, udførte gruppens eksperimenter, hvilket involverede at udsætte små kulfilm og fibre for temperaturer så høje som 3000o C (5400o F). Denne varme fik mikrostrukturen i filmene og fibrene til at blive mindre uordnet (eller amorf) og mere diamantlignende (eller krystallinsk).

"Når kulstofstrukturen bliver mere krystallinsk, det gør mange ting muligt. Først, kulstoffets ledningsevne stiger. Det betyder, at du kan få en masse gode applikationer ud af det, sagde Mondal, avisens hovedforfatter. Nogle af disse applikationer inkluderer batterier og sensorer, han tilføjede.

Et mål med forskningen var at se, hvordan den endelige mikrostruktur varierede afhængigt af temperaturen og udgangsmaterialet.

Til det indledende materiale, forskerne spundet miniaturekulfibre og coatede substrater med tynde kulfilm. De varmebehandlede disse polymerprækursorer ved temperaturer fra 1000 til 3000o C. De undersøgte derefter resultaterne med transmissionselektronmikroskoper og andre instrumenter, at bestemme graden af ​​omdannelse fra en løst organiseret polymer til en mere struktureret, krystallinsk arrangement.

Genveje i mikrostruktur køreplan

Varmebehandlinger bruges over hele verden til at skabe kulstofkompositmaterialer med den ønskede mikrostruktur, som varierer efter applikation. De forløbere, som forskerne udvalgte, er også meget brugt. Alligevel kan kommerciel produktion med disse prækursorer og fremstillingsmetoder være en indviklet proces, der kræver en række præcise varmebehandlinger og andre handlinger.

Den endelige opskrift på et produkt kan nås ved forsøg og fejl, som nogle gange kan være omfattende. INL-forskningen har til formål, blandt andet, at give et kørekort med genveje for at fremskynde denne søgning.

Så, ud over eksperimenterende arbejde, INL-gruppen lavede også simuleringer, der modellerede, hvordan fibrene og filmene ville udvikle sig under varmebehandling. Gorakh Pawar, en anden medforfatter af papiret og en INL-medarbejder ved Institut for Materialevidenskab og Teknik, håndteret disse simuleringer. Computermodellerne forudsagde resultater, der svarede til de eksperimentelle resultater. Arbejdet blev finansieret gennem INL's Laboratory Directed Research and Development-program.

INL-undersøgelsen giver spor, der kan bruges til at hjælpe med at designe prækursorer og processer, der vil give foretrukne nanostrukturer, sagde Pawar. For eksempel, start med en film resulterede i højere elektronmobilitet end hvad der resulterede, når man startede fra fibre, hvilket kunne være en konsekvens af de mange grænser i en fiber og deres indvirkning på elektronernes frie bevægelighed. Så, til en sensor eller en anden applikation, hvor ledningsevne er vigtig, at starte med en film kan føre til en enhed, der er mere følsom, er hurtigere eller bruger mindre strøm.

Ved at udforske alle mulige kombinationer af behandlingstrin, forskere ved nationale laboratorier, i industrien og andre steder skal være omkostningseffektive i deres undersøgelser og resultater. Simuleringer som dem udført af INL-gruppen kan hjælpe med at minimere tiden, indsats og omkostninger ved at nulstille den rigtige proces og udgangsmateriale.

"Du kan ikke køre et eksperiment for evigt. Du har brug for vejledning for at optimere din eksperimentelle protokol, " sagde Pawar.

Opladning af batterier hurtigere

Hvad angår mulige anvendelser af gruppens forskning, han bemærkede, at det er afgørende at få den rigtige mikrostruktur, for eksempel, et lithium-ion batteri.

Disse batterier har en elektrode lavet af grafit, en form for kulstof. Ved drift af batteriet, lithiumionerne lagres mellem lag i grafitten, hvilket betyder, at mængden af ​​tomrum og defekter i materialet er vigtig. Med grafit af den rette struktur, at bevægelser af ioner kan være hurtige, et krav om ekstrem hurtig opladning. Alligevel kan grafitmaterialerne ikke være så porøse, at det gør elektroden ubrugelig.

En sådan opladning kan gøre det muligt for elektriske køretøjer at få det, der svarer til en fuld tank benzin inden for få minutter i stedet for timer. Denne evne ville gøre driften af ​​disse emissionsfrie biler og lastbiler lig, hvad folk er vant til med nuværende gasdrevne køretøjer. Dette betyder, at INL-forskningsprojektet kan vise sig gavnligt til at finde ud af, hvordan man opnår den type præstationer, en kapacitet forbrugerne søger.

"Det er vores fremtidige mål inden for energilagring:hvordan vi kan optimere denne grafitstruktur, " sagde Pawar.

For at hjælpe med at opnå det, forskerne fortsætter med at udvide deres forståelse af kulstofmikrostrukturer og hvordan de kan fremstilles. Til sidst, dette arbejde kan hjælpe med at skabe et elektrisk køretøjsbatteri, der hurtigt kan nå fuld opladning – eller, for at sige det i superhelte-termer, hurtigere end en fartkugle.