Graphene overgår kulstofnanorør for at skabe stærkere, Flere revneresistente materialer

(PhysOrg.com) - Tre nye undersøgelser fra forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute illustrerer, hvorfor grafen skal være det foretrukne nanomateriale til at styrke kompositmaterialer, der bruges i alt fra vindmøller til flyvinger.

Kompositter infunderet med grafen er stærkere, stivere, og mindre tilbøjelige til at mislykkes end kompositter infunderet med kulnanorør eller andre nanopartikler, ifølge undersøgelserne. Det betyder grafen, et atom-tykt lag af carbonatomer arrangeret som et nanoskala kædeleddshegn, kunne være en vigtig mulighed for udviklingen af ​​næste generations nanokompositmaterialer.

”Jeg har arbejdet i nanokompositter i 10 år, og grafen er det bedste, jeg nogensinde har set med hensyn til mekaniske egenskaber, ”Sagde Nikhil Koratkar, professor ved Institut for Mekanik, Luftfart, og atomteknik på Rensselaer, der ledede undersøgelserne. "Graphen er langt bedre end carbon nanorør eller ethvert andet kendt nanofiller ved at overføre dets enestående styrke og mekaniske egenskaber til et værtsmateriale."

Resultaterne af Koratkars undersøgelser er detaljeret i tre nyligt offentliggjorte artikler:"Brud og træthed i grafen -nanokompositter, ”Udgivet i Lille ; “Forbedrede mekaniske egenskaber for nanokompositter ved lavt grafenindhold, ”Udgivet i ACS Nano ; og “Buckling Resistant Graphene Nanocomposites, ”Offentliggjort i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver.

Avancerede kompositter er i stigende grad en vigtig komponent i designet af nye vindmøllevinger, fly, og andre applikationer, der kræver ultra-let, materialer med høj styrke. Epoxy -kompositmaterialer er ekstremt lette, men kan være skør og tilbøjelig til brud. Koratkars team har tilført de avancerede kompositter stakke, eller blodplader, af grafen. Hver stak er kun få nanometer tyk. Forskergruppen infunderede også epoxykompositter med kulnanorør.

Epoxy -materialer tilført grafen udviste langt bedre ydeevne. Faktisk, tilføjelse af grafen svarende til 0,1 procent af vægten af ​​kompositten øgede materialets styrke og stivhed i samme grad som tilsætning af carbon nanorør svarende til 1 procent af kompositets vægt. Denne gevinst, på et mål af en størrelsesorden, fremhæver løftet om grafen, Sagde Koratkar. Grafenfyldstofferne øgede også sammensætningens modstandsdygtighed over for træthedsspredning med næsten to størrelsesordener, sammenlignet med baseline -epoxymaterialet.

Selvom grafen og carbon nanorør er næsten identiske i deres kemiske sammensætning og mekaniske egenskaber, grafen er langt bedre end kulnanorør til at låne sine egenskaber til et materiale, som det er blandet med.

“Nanorør er utroligt stærke, men de nytter ikke meget mekanisk, hvis de ikke overfører deres egenskaber til kompositmaterialet, ”Sagde Koratkar. ”En kæde er kun så stærk som sit svageste led, og hvis denne forbindelse er mellem nanorøret og polymeren, så er det det, der bestemmer de overordnede mekaniske egenskaber. Det er ligegyldigt om nanorørene er superstærke eller superstive, hvis grænsefladen med polymeren er svag, denne grænseflade vil mislykkes. ”

Koratkar sagde, at grafen har tre forskellige fordele i forhold til carbon nanorør. Den første fordel er den ru og rynkede overfladestruktur af grafen, forårsaget af en meget høj densitet af overfladefejl. Disse defekter er et resultat af den termiske eksfolieringsproces, som Rensselaer -forskergruppen brugte til at fremstille bulkmængder af grafen fra grafit. Disse "rynkede" overflader hænger ekstremt godt sammen med det omgivende polymermateriale, hjælper med at øge grænsefladeoverførslen mellem grafen og værtsmaterialet.

Den anden fordel er overfladeareal. Som et høvlerark, grafen drager fordel af betydeligt mere kontakt med polymermaterialet end de rørformede carbon nanorør. Dette skyldes, at polymerkæderne ikke er i stand til at komme ind i det indre af nanorørene, men både toppen og bunden af ​​grafenarket kan være i tæt kontakt med polymermatricen.

Den tredje fordel er geometri. Når mikrosprækker i den sammensatte struktur støder på et todimensionalt grafenark, de afbøjes, eller tvunget til at vippe og vride rundt om arket. Denne proces hjælper med at absorbere den energi, der er ansvarlig for at sprede revnen. Revnedannelsesprocesser er langt mere effektive for todimensionale ark med et højt billedformat, såsom grafen, sammenlignet med endimensionale nanorør.

Koratkar sagde, at luftfarts- og vindkraftindustrien søger nye materialer, som de kan designe stærkere, længere levetid rotor og vindmøllevinger. Hans forskningsgruppe planlægger at undersøge nærmere, hvordan grafen kan gavne dette mål. Grafen viser et stort løfte om dette, fordi det kan fremstilles af grafit, som fås i store mængder og til relativt lave omkostninger, han sagde, hvilket betyder, at masseproduktion af grafen sandsynligvis vil være langt mere omkostningseffektiv end nanorør.

Medforfattere på de tre artikler inkluderer Rensselaer maskintekniske kandidatstuderende Mohammed A. Rafiee, Javad Rafiee, og Iti Srivastava; sammen med professor Zhong-Zhen Yus gruppe ved Beijing University of Chemical Technology.