Hvid grafen gør keramik multifunktionel

Lidt hBN i keramik kunne give dem enestående egenskaber, ifølge en videnskabsmand fra Rice University.

Rouzbeh Shahsavari, en adjunkt i civil- og miljøteknik, foreslog, at inkorporering af ultratynde hexagonale bornitrid (hBN) plader mellem lag af calciumsilicater ville gøre en interessant tolags krystal med multifunktionelle egenskaber. Disse kunne være velegnede til byggeri og ildfaste materialer og applikationer i den nukleare industri, olie og gas, rumfart og andre områder, der kræver højtydende kompositter.

En kombination af materialerne ville skabe en keramik, der ikke kun er sej og holdbar, men også modstandsdygtig over for varme og stråling. Ved Shahsavaris beregninger, calciumsilicater med indsatte lag af todimensional hBN kunne hærdes nok til at tjene som afskærmning i nukleare applikationer som kraftværker.

Forskningen vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS anvendte materialer og grænseflader .

Todimensional hBN har tilnavnet hvid grafen og ligner grafen fra oven, med forbundne sekskanter, der danner et ultratyndt plan. Men hBN adskiller sig fra grafen, da det består af alternerende bor og nitrogen, frem for kulstof, atomer.

"Dette arbejde viser muligheden for materialeforstærkning ved den mindst mulige dimension, grundplanet af keramik, " Shahsavari sagde. "Dette resulterer i en tolags krystal, hvor hBN er en integreret del af systemet i modsætning til konventionelle forstærkende fyldstoffer, der er løst forbundet med værtsmaterialet.

"Vores undersøgelse på højt niveau viser energetisk stabilitet og betydelig egenskabsforbedring på grund af den kovalente binding, ladningsoverførsel og orbital blanding mellem hBN og calciumsilikater, " han sagde.

Den form for keramik, som laboratoriet undersøgte, kendt som tobermorite, har en tendens til selv at samle sig i lag af calcium og oxygen, der holdes sammen af ​​silikatkæder, når det tørrer til hærdet cement. Shahsavaris molekylær-skala undersøgelse viste, at hBN blandes godt med tobermorit, glider ind i mellemrummene mellem lagene, da bor- og oxygenatomerne binder og spænder de flade hBN-ark.

Denne harmonika-lignende knækning skyldes den kemiske affinitet og ladningsoverførsel mellem boratomerne og tobermorit, der stabiliserer kompositten og giver den høj styrke og sejhed, egenskaber, der sædvanligvis afvejer hinanden i konstruerede materialer, sagde Shahsavari. Forklaringen ser ud til at være en tofaset mekanisme, der finder sted, når hBN-lagene udsættes for belastning eller stress.

Shahsavaris modeller af vandret stablet tobermorit og tobermorite-hBN viste, at kompositten var tre gange stærkere og omkring 25 procent stivere end det almindelige materiale. Beregningsanalyse viste hvorfor:Mens silikatkæderne i tobermorit mislykkedes, da de blev tvunget til at rotere langs deres akser, hBN-pladerne aflastede ved først at spænde ud og derefter stivne.

Når den er komprimeret, almindelig tobermorit udviste en lav flydespænding (eller elasticitetsmodul) på omkring 10 gigapascal (GPa) med en flydespænding (det punkt, hvor et materiale deformeres) på 7 procent. Kompositten udviste en flydespænding på 25 GPa og en belastning på op til 20 procent.

"En stor ulempe ved keramik er, at de er skøre og splintres ved høj belastning eller belastning, "Sagde Shahsavari." Vores strategi overvinder denne begrænsning, giver forbedret duktilitet og sejhed, samtidig med at styrkeegenskaberne forbedres.

"Som en bonus systemets termiske og strålingstolerance øges også, gengivelse af multifunktionelle egenskaber, "sagde han." Disse funktioner er alle vigtige for at forhindre forringelse af keramik og øge deres levetid, og dermed spare energi og vedligeholdelsesomkostninger. "

Når materialet blev testet fra andre vinkler, forskelle mellem den rene tobermorit og den sammensatte var mindre udtalte, men i gennemsnit, hBN forbedrede materialets egenskaber betydeligt.

"Sammenlignet med endimensionelle fyldstoffer såsom konventionelle fibre eller carbon nanorør, 2-D materialer som hBN er tosidede, så de har det dobbelte af overfladearealet pr. masseenhed, " sagde Shahsavari. "Dette er perfekt til forstærkning og vedhæftning til den omgivende matrix."

Han sagde, at andre 2-D-materialer som molybdendisulfid, niobiumdiselenid og lagdelt dobbelthydroxid kan også være velegnet til bottom-up-design af højtydende keramik og andre multifunktionelle kompositmaterialer.