Forskere gør stærke, superstærke carbonplader ved lav temperatur

Et internationalt forskerhold ledet af forskere ved Beihang University i Kina og University of Texas i Dallas har udviklet højstyrke, superstærke plader af carbon, der kan fremstilles billigt ved lave temperaturer.

Holdet lavede arkene ved kemisk at sy sammen blodplader af grafitisk kulstof, som ligner den grafit, der findes i det bløde bly på en almindelig blyant. Fremstillingsprocessen resulterede i et materiale, hvis mekaniske egenskaber overstiger dem for kulfiberkompositter, der i øjeblikket bruges i forskellige kommercielle produkter.

"Disse plader kan i sidste ende erstatte de dyre kulfiberkompositter, der bruges til alt fra fly og bilkarosserier til vindmøllevinger og sportsudstyr, " sagde Dr. Ray Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry ved UT Dallas og direktør for Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. Baughman er en tilsvarende forfatter til en artikel, der beskriver det materiale, der er offentliggjort online i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Nutidens kulfiberkompositter er dyre, til dels fordi kulfibrene produceres ved ekstremt høje temperaturer, som kan overstige 2, 500 grader Celsius (ca. 4, 500 grader Fahrenheit).

"I modsætning, vores proces kan bruge grafit, der er billigt gravet fra jorden og behandlet ved temperaturer under 45 grader Celsius (113 grader Fahrenheit), " sagde Dr. Qunfeng Cheng, professor i kemi ved Beihang Universitet og en tilsvarende forfatter. "Styrken af ​​disse plader i alle in-plane retninger matcher den af ​​lagde kulfiberkompositter, og de kan absorbere meget højere mekanisk energi, før de svigter end kulfiberkompositter."

Grafit består af blodplader, der består af stablede lag af grafen. Grafen er simpelthen et enkelt lag af kulstofatomer, arrangeret i et mønster, der ligner et hønsenet hegn, hvor hver sekskant i nettet er dannet af seks kulstofatomer.

"Mens videnskabsmænd kontinuerligt kan lave store ark grafen ved højtemperaturbehandling, og har vist, at disse ark har en bemærkelsesværdig styrke, det er upraktisk at lave tykke plader af grafit ved blot at stable grafenplader med stort areal, " sagde Cheng. "Man bliver nødt til at stable omkring 150, 000 grafenplader til at lave et grafitark, der har omtrent samme tykkelse som et menneskehår."

Forskerne fandt inspiration i naturlig perlemor, også kendt som perlemor, hvilket giver nogle muslingeskaller deres styrke og sejhed. Nacre er sammensat af parallelle blodplader, der er bundet sammen af ​​tynde lag af organisk materiale, på samme måde som mursten i en væg holdes sammen af ​​mørtel.

"I stedet for mekanisk at stable grafenplader med stort område, vi oxiderer grafitplader i mikronstørrelse, så de kan spredes i vand, og filtrer derefter denne dispersion for billigt at lave ark af orienteret grafenoxid, " sagde Baughman. "Denne proces er beslægtet med håndlavede ark papir ved at filtrere en opslæmning af fibre.

"På dette tidspunkt, lagnerne er hverken stærke eller seje, hvilket betyder, at de ikke kan absorbere meget energi, før de brister, " sagde han. "Tricket, vi bruger, er at sy sammen blodpladerne i disse ark ved hjælp af sekventielt infiltrerede brodannelsesmidler, der forbinder overlappende naboblodplader, og omdanne det oxiderede grafenoxid til grafen. Nøglen til dette fremskridt er, at vores brodannelsesmidler hver for sig virker via dannelse af kovalente kemiske bindinger og van der Waals-bindinger."

Ark, der inkorporerede bromidlerne, var 4,5 gange stærkere og 7,9 gange hårdere end agentfrie ark, sagde Beihang University PhD-studerende Sijie Wan, som er hovedforfatter til tidsskriftsartiklen. "I modsætning til kulfiberkompositter, ingen polymermatrix er nødvendig, " han sagde.

"Mens plader af dyre kulfiberkompositter kan give en lignende styrke i alle ark-plan-retninger, energien, som de kan absorbere før brud, er omkring en tredjedel af vores sekventielt broforbundne grafenplader, " sagde Wan. "Fordi vores plader er fremstillet ved lave temperaturer, de er lave omkostninger. Ud over at udvise høj pladestyrke, modstand mod sejhed og træthed, de har høj elektrisk ledningsevne og er i stand til at skærme mod elektromagnetisk stråling. Disse egenskaber gør disse sekventielt broforbundne grafenark ret attraktive for mulige fremtidige anvendelser."