Carbon nanorør sænker transformationstemperaturen af ​​glasagtig kulstof

Sidste vinter, MIT-forskere opdagede, at en phenol-formaldehyd-polymer omdannet til et glasagtigt kulstofmateriale i en proces, der ligner bagning, når sin bedste kombination af høj styrke og lav densitet ved 1, 000 grader Celsius (1, 832 grader Fahrenheit). Nu har de bestemt, at de kan opnå en lignende glasagtig transformation, men ved en mere industrielt tilgængelig temperatur på 800 C ved at tilføje en lille brøkdel kulstofnanorør til dette materiale.

Som det polymere udgangscarbonhydrid, kendt som en phenol-formaldehydpolymerharpiks, opvarmes fra 600 C, størrelsen af ​​dens krystallitter vokser, indtil den når et plateau ved 1, 000 C. Postdoc Itai Y. Stein siger, at videnskabelig litteratur viser, at dette plateau holder til et godt stykke over 2, 000 C. Tilsætningen af ​​1 volumenprocent af justerede carbonnanorør til udgangsmaterialet gør det muligt for det at nå plateauets krystallitstørrelse ved en temperatur, der er 200 C lavere.

"Det, vi viser, er, at ved at tilføje kulstof nanorør, vi når dette plateauområde tidligere, " siger Stein. Resultaterne blev rapporteret den 22. august i Journal of Materials Science online. Medforfatterne var Stein, tidligere Materials Processing Center-Center for Materials Science and Engineering (MPC-CMSE) Summer Scholars Ashley L. Kaiser (2016) og Alexander J. Constable (2015), postdoc Luiz Acauan, og seniorforfatteren, professor i luftfart og astronautik Brian L. Wardle. Kaiser er nu kandidatstuderende i Wardles laboratorium.

Forbedring af fremstillbarhed

"Dette arbejde har det interessante fund, at nanostrukturer hjælper med at fremstille [og] fremstille de glasagtige kulstofkompositter, " siger Wardle. "Tidlige lektioner med nanomaterialer viste i store træk, at nanostrukturer hæmmer fremstilling, imidlertid, vi finder et tema på tværs af flere forskningsområder, som når det kontrolleres, nanostrukturerne kan bruges til at forbedre produktionen, engang væsentligt. Mens nanostrukturerne – her, justerede kulstof nanorør - er værdifulde som forstærkning til det glasagtige kulstof, de kan også bruges til at forbedre fremstillingsevnen. Ashley og Itai tager dette arbejde endnu længere for at teste grænserne."

Krystallitstørrelse er stærkt bundet til hårdhed, som er et mål for mekanisk ydeevne såsom styrke og sejhed. Det er en af ​​de vigtigste egenskaber ved det glasagtige kulstofmateriale.

"Hvis du ser på hårdheden normaliseret af tætheden, vi fandt tidligere ud af, at det første punkt i plateauregionen er det bedste punkt, fordi der er det glasagtige kulstofmateriale det mindst tætte og hårdeste, " siger Stein.

Det primære fund i det tidligere papir var, at mere uorden i arrangementet af kulkrystallitter førte til større hårdhed og lavere densitet i det glasagtige kulstofmateriale, som blev opnået ved at bage en phenol-formaldehyd-polymer i fravær af oxygen. Det transformerede materiale kaldes også pyrolytisk kulstof eller PyC.

Selvom polymeren omdannes til et grafitlignende materiale, det når aldrig den mere højt ordnede struktur af grafit. Denne forskel bekræftes ved røntgendiffraktion (XRD) analyse af prøver bagt med, og uden, kulstof nanorør og sammenlignet med en standardindikator for grafit kendt som Bernal stablingsrækkefølgen. Den type forstyrrelse blandt krystallitter her kaldes turbostratisk stabling, hvor planerne, der omfatter krystallitterne, roteres tilfældigt i forhold til hinanden på grund af huller (eller ledige pladser) og krumning. XRD-undersøgelser udført på Center for Materials Science and Engineerings fælles eksperimentelle faciliteter validerede også krystallitstørrelsesudviklingen i forhold til bagetemperatur.

For at forestille sig denne lidelse sammenlignet med den perfekte sekskantede struktur af grafen eller gentagne lagstrukturer af grafit, Stein foreslår at tænke på en stak flade firkantede stykker papir. Papirerne stables nemt til en perfekt firkant med minimalt mellemrum mellem hvert ark. Men hvis hvert stykke papir tages ud, krøllet, og så let fladt ud igen, det ville være frustrerende at prøve at omarrangere arkene til en pæn stak.

Lignende lidelse opstår i molekylstrukturen af ​​det glasagtige kulstof, fordi precursoren phenol-formaldehyd-polymer begynder med en kompliceret blanding af kulstofrige forbindelser, og bagetemperaturen ikke er høj nok til at nedbryde dem alle til enklere kulstofstrukturer. Raman-spektroskopiresultater bekræftede tilstedeværelsen af ​​disse defekter i kulstofstrukturen. En anden teknik, Fourier Transform Infrarød spektroskopi, bekræftede tilstedeværelsen af ​​oxygen- og hydrogengrupper i krystallitterne.

"Det stammer fra den polymere precursor, som vi bruger, phenol-formaldehyd, og de sidder bare fast; de kan ikke gå, " forklarer Stein.

Forskernes tidligere papir viste, at tilstedeværelsen af ​​disse mere komplekse kulstofforbindelser i materialet styrker det ved at føre til tredimensionelle forbindelser, der er svære at bryde. Det nye arbejde viser, at kulstofnanorørene ikke har nogen effekt på disse ilt- eller brintunderstrukturer i materialet.

Stein siger, for den aktuelle undersøgelse, målet var at udforske, hvad der sker, når kulstofnanorør tilsættes og bagetemperaturen øges; specifikt, hvilken effekt, hvis nogen, nanorørene har på krystallitvækst. De fandt ud af, at nanorørene påvirker krystallitdannelsesprocessen på meso-skalaen, som måles i snesevis af nanometer, mens alt andet forbliver uændret. Vigtigt, kun krystallitstørrelsen påvirkes af tilsætningen af ​​kulstofnanorørene.

"Vi var overraskede over at se ingen ændring i den grafitiske natur af vores polymer, da den bliver bagt i nærværelse af kulstofnanorør, "siger han." Ikke desto mindre, det er et meget interessant fund, fordi vi kan reducere forarbejdningstemperaturen uden at påvirke strukturen af ​​det resulterende glasagtige kulstof. Da egenskaberne af det glasagtige kulstof afhænger af dets struktur, denne opdagelse kunne gøre det muligt for en industriel proces af denne teknologi at realisere betydelige energibesparelser."

Hurtigere strukturel udvikling

"Kulstof-nanorørene tillader sammensætningens struktur at udvikle sig hurtigere i meso-skalaen, så den når sin endelige tilstand ved en lavere behandlingstemperatur, "Tilføjer Kaiser." Disse nanorør reducerer også materialets samlede vægt. Denne måde, vi er i stand til at producere vores komposit ved en lavere temperatur, samtidig med at vi reducerer dens densitet og bevarer dens fremragende egenskaber."

Stein bemærker, at i det tidligere arbejde viste forskerne også, at stigende behandlingstemperatur over 1, 000 C resulterede i et svagere materiale.

"Så vi reducerer i det væsentlige den temperatur, du skal gå for at nå de bedste egenskaber, " siger Stein om den nye rapport. "Hvis du ser på hårdheden normaliseret af tætheden, dette [800 grader C] er det bedste punkt, fordi det er her, det glasagtige kulstof forventes at være mindst tæt og hårdest."

Stein siger, at den lavere forarbejdningstemperatur også kan gøre disse phenolmaterialer mere kompatible med metaller, hvis smeltepunkter er under 1, 000 C, hvilket igen kan være nyttigt til 3-D print.

"Den applikation, vi specifikt tænkte på at bruge dette i, er metamaterialer, "siger han." Hvis du kan bruge nanorør til at reducere den temperatur, du bager ved, hvis du vil omdanne det til kulstof, bare rent kulstof, så kunne det gøre det mere tilgængeligt. At 200 grader Celsius er en stor forskel for mange processer. "

I de nye resultater, forskerne eksperimenterede på et materiale med kun 1 procent kulstof nanorør efter volumen. De planlægger at følge op ved at studere virkningen af ​​at øge andelen af ​​kulnanorør til 20 volumenprocent. "Vi vil bare se, om nanorørene gør det stærkere, "Siger Stein. De vil også se på virkningen på størrelsen og tykkelsen af ​​krystallitterne fra de tilsatte carbon nanorør.

Næste generations nanostrukturer

"En hel række af strukturelle kompositter ville drage fordel af denne undersøgelse, især næste generation af ultralette nanostrukturer, " siger Piran R. Kidambi, assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik ved Vanderbilt University, som ikke var involveret i denne undersøgelse.

"Undersøgelsen fandt ud af, at justerede kulstof nanorør-glasagtige kulstofmatrix nanokompositter på meso-skala udviklede sig meget hurtigere med et plateau i krystallitstørrelser (en vigtig kvalitetsmetrik) ved en temperatur op til 200 grader Celsius lavere sammenlignet med at have en ren glasagtig kulstofmatrix , " siger Kidambi. "Lavere temperaturer er gode nyheder for fremstilling for at minimere varmeomkostningerne i forarbejdningen, og nyere modeller fortæller os, at slanke krystallitter er ønskelige, da de øger glasagtig kulstofhårdhed. Derfor er en kombination af et plateau i krystallitstørrelser og lavere temperaturer meget interessant fra et produktionsperspektiv. Dette er forskning af høj kvalitet, der bruger grundlæggende indsigt til at informere og vejlede fremstillings-/synteseruter for overlegne kompositter."

Kaisers arbejde som 2016 MPC-CMSE Summer Scholar udgør hovedparten af ​​papirets eksperimentelle resultater, bortset fra Raman -spektroskopi -resultaterne. "Det er et meget robust og fokuseret bidrag, " siger Stein.

"Jeg var begejstret for at være involveret i denne forskning, da jeg var sommerstipendiat, "Siger Kaiser." Nu, at være i stand til at vende tilbage til MIT som kandidatstuderende, slutte sig til Wardle-gruppen igen, og udgive dette arbejde er meget spændende. Jeg er ivrig efter at fortsætte med at arbejde på kompositter, mens jeg forfølger min ph.d. her i materialevidenskab og teknik."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.