Forskere kombinerer grafenskum, epoxy til hård, ledende komposit

Rice University forskere har bygget en bedre epoxy til elektroniske applikationer.

Epoxy kombineret med "ultrastiff" grafenskum opfundet i kemilisten James Tours rislaboratorium er væsentligt hårdere end ren epoxy og langt mere ledende end andre epoxykompositter, samtidig med at materialets lave densitet bevares. Det kan forbedre epoxier i nuværende brug, der svækker materialets struktur med tilføjelse af ledende fyldstoffer.

Det nye materiale er detaljeret i American Chemical Society journal ACS Nano .

I sig selv, epoxy er en isolator, og bruges almindeligvis i belægninger, klæbemidler, elektronik, industrielt værktøj og strukturelle kompositter. Metal- eller kulstoffyldstoffer tilføjes ofte til applikationer, hvor konduktivitet er ønsket, som elektromagnetisk afskærmning.

Men der er en afvejning:Mere fyldstof bringer bedre ledningsevne på bekostning af vægt og trykstyrke, og det sammensatte bliver sværere at behandle.

Risopløsningen erstatter metal- eller kulstofpulver med et tredimensionelt skum fremstillet af nanoskalaer af grafen, den atom-tykke form af kulstof.

Turlaboratoriet, i samarbejde med rismaterialeforskere Pulickel Ajayan, Rouzbeh Shahsavari og Jun Lou og Yan Zhao fra Beihang University i Beijing, tog deres inspiration fra projekter til at injicere epoxy i 3D-stilladser, herunder grafen aerogeler, skum og skeletter fra forskellige processer.

Den nye ordning gør meget stærkere stilladser fra polyacrylonitril (PAN), en pulveriseret polymerharpiks, de bruger som kilde til kulstof, blandet med nikkelpulver. I firetrinsprocessen, de koldpresser materialerne for at gøre dem tætte, varm dem i en ovn for at gøre PAN til grafen, behandle det resulterende materiale kemisk for at fjerne nikkel og brug et vakuum til at trække epoxyen ind i det nu porøse materiale.

"Grafenskummet er et enkelt stykke få-lags grafen, "Tour sagde." Derfor, i virkeligheden, hele skummet er et stort molekyle. Når epoxyen infiltrerer skummet og derefter hærder, enhver bøjning i epoxyen ét sted vil understrege monolitten mange andre steder på grund af det indlejrede grafenstillads. Dette stivner i sidste ende hele strukturen. "

De puckformede kompositter med 32 procent skum var marginalt tættere, men havde en elektrisk ledningsevne på cirka 14 Siemens (et mål for konduktivitet, eller inverse ohm) per centimeter, ifølge forskerne. Skummet tilførte ikke væsentlig vægt til forbindelsen, men gav det syv gange trykstyrken ved ren epoxy.

Let sammenkobling mellem grafen og epoxy hjalp også med at stabilisere strukturen af ​​grafen. "Når epoxyen infiltrerer grafenskummet og derefter hærder, epoxy fanges i domæner i mikronstørrelse af grafenskummet, "Sagde Tour.

Laboratoriet øgede ante ved at blande multivæggede carbon -nanorør i grafenskummet. Nanorørene fungerede som forstærkningsstænger, der blev bundet til grafen og gjorde sammensatte 1, 732 procent stivere end ren epoxy og næsten tre gange så ledende, omkring 41 Siemens per centimeter, langt større end næsten alle de stilladsbaserede epoxykompositter, der hidtil er rapporteret, ifølge forskerne.

Tour forventer, at processen vil skaleres for industrien. "Man mangler bare en ovn, der er stor nok til at producere den ultimative del, "sagde han." Men det gøres hele tiden for at lave store metaldele ved koldpressning og derefter opvarmning af dem. "

Han sagde, at materialet i første omgang kunne erstatte de carbon-kompositharpikser, der blev brugt til at præ-imprægnere og forstærke stof, der blev brugt i materialer fra rumfartsstrukturer til tennisracketere.