Ikke-svage knuder styrker kulfiber:Nyt materiale skabt med grafenoxidflager

Store flager af grafenoxid er den væsentlige ingrediens i en ny opskrift på robust kulfiber skabt på Rice University.

Fiberen, der er spundet på Rice, er unik for styrken af ​​sine knuder. De fleste fibre klikker sandsynligvis under spænding ved knuden, men Rices fiber demonstrerer, hvad forskerne omtaler som "100 procent knudeffektivitet, "hvor fiberen er lige så tilbøjelig til at bryde overalt i længden som ved knuden.

Det nye værk fra Rice lab af kemiker James Tour vises online i dag i tidsskriftet Avancerede materialer .

Materialet kan bruges til at øge styrken på mange produkter, der bruger kulfiber, som kompositter for stærke, lette fly eller stoffer til skudsikkert tøj, ifølge forskerne.

"Det er meget mærkeligt at se dette "Tour sagde." Knuden er lige så stærk som enhver anden del af fiberen. Det sker aldrig i en kulfiber eller polymerfibre. "

Kreditten går til de unikke egenskaber ved grafenoxidflager skabt i en miljøvenlig proces patenteret af Rice for et par år siden. De flager, der er kemisk ekstraheret fra grafit, virker små. De har en gennemsnitlig diameter på 22 mikron, en fjerdedel bredden af ​​et gennemsnitligt menneskehår. Men de er massive sammenlignet med den oliebaserede pitch, der bruges i nuværende kulfiber. "Pitchpartiklerne er to nanometer i størrelse, hvilket gør vores flager cirka ti tusinde gange større, "sagde Ris -kandidatstuderende Changsheng Xiang, hovedforfatter til det nye papir.

Ligesom med tonehøjde, den svage van der Waals -kraft holder grafenflagerne sammen. I modsætning til pitch, de atomtykke flager har et enormt overfladeareal og klæber til hinanden som skælene på en fisk, når de trækkes ind i en fiber. Vådspindningsprocessen ligner en, der for nylig blev brugt til at skabe stærkt ledende fibre lavet af nanorør, men i dette tilfælde brugte Xiang bare vand som opløsningsmiddel frem for en supersyre.

Bøjelighed ved knuden skyldes fiberens bøjningsmodul, hvilket er et mål for dets fleksibilitet, Sagde Xiang. "Fordi grafenoxid har et meget lavt bøjningsmodul, den tror der ikke er en knude der, " han sagde.

Tour sagde, at industrielle kulfiber-en kilde til stållignende styrke i ultralette materialer lige fra baseballflagermus til cykler til bombefly-ikke er blevet forbedret meget i årtier, fordi den involverede kemi nærmer sig sine grænser. Men de nye kulfiber spundet ved stuetemperatur ved Rice viser allerede imponerende trækstyrke og modul og har potentiale til at blive endnu stærkere, når de glødes ved højere temperaturer.

Opvarmning af fibrene til ca. 2, 100 grader Celsius, industristandarden for fremstilling af kulfiber, vil sandsynligvis fjerne knudestyrken, Xiang sagde, men bør i høj grad forbedre materialets trækstyrke, hvilket vil være godt til fremstilling af nye kompositmaterialer.

Risforskerne skabte også en anden type fiber ved hjælp af mindre 9-mikron flager af grafenoxid. De små flager fibre, i modsætning til den store, blev trukket fra den vådspindende proces under spænding, hvilket bragte flagerne i endnu bedre justering og resulterede i fibre med styrke, der nærmede sig kommercielle produkters, selv ved stuetemperatur.