Skræddersy nanokomposit-grænseflader med grafen for at opnå høj styrke og sejhed

Den svage interfacial interaktion mellem nanofillers og matrix nanocomposites under materialeudvikling har medført, at nanofill-forstærkende effekter er langt under de teoretisk forudsagte værdier. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Ningning sang, og et team af forskere ved afdelingen for mekanisk og rumfartsteknik ved University of Virginia, OS., demonstreret grafen-omviklet borcarbid (B ₄ C) nanotråde (B ₄ C-NWs@graphene). Konstruktionerne gav enestående spredning af nanotråde i matrixen og bidrog til superlativ nanotråd-matrixbinding. B ₄ C-NWs@graphene konstruerer forstærkede epoxykompositter og viste samtidig forbedring i styrke, elasticitetsmodul og duktilitet. Ved at bruge grafen til at skræddersy de sammensatte grænseflader, Song et al. brugte effektivt nanofyldstofferne til at øge belastningsoverførselseffektiviteten med det dobbelte. De brugte simuleringer af molekylær dynamik til at låse op for selvsamlingsmekanismen for forskydningsblanding af grafen/nanowire-konstruktionen. Lavpristeknikken åbner en ny vej til at udvikle stærke og seje nanokompositter for at forbedre grænseflader og tillade effektiv overførsel af høj belastning.

Nanofillers – nanotråde og nanopartikler

Nanofillers inklusive nanotråde og nanopartikler kan have meget større specifikke overfladearealer end mikrofillers. I teorien, de tilbyder derfor ideelle forstærkninger til ekstraordinære ledforbedringer i styrke og sejhed. Imidlertid, i materialevidenskab og teknik, nanokompositter forbliver for at opfylde dette løfte på grund af den svage grænsefladebinding mellem fyldstofferne og matrixen. Borcarbid (B ₄ C) er det tredje hårdeste materiale kendt i naturen, ofte anerkendt for sine vigtigste fysiske og mekaniske egenskaber. Imidlertid, når de anvendes som forstærkninger i nanokompositter, B ₄ C nanotråde (B ₄ C-NW'er) alene viser ikke en forstærkende effekt på grund af dens svage spredning i matrixen og på grund af svag grænsefladebinding. Som resultat, det er vigtigt at konstruere nanokompositgrænseflader for at realisere deres fulde potentiale. Af de mange tilgange, der er i spil og tidligere udforsket inden for materialevidenskab og nanomaterialer, Song et al. rapportere en grafen interface engineering teknik. I denne mekanisme, de limede B ₄ C-NW'er med grafen for ekstraordinært at forbedre styrken og sejheden af ​​det resulterende materiale. De konverterede højkvalitets grafenark til grafit og pakkede dem samtidig ind på B ₄ C-NW'er via forskydningsblanding for at opnå B ₄ C-NWs@graphene-konstruktioner.

Song et al. først voksede B ₄ C-NWS ensartet på overfladen af ​​en kulfiberklud gennem en typisk damp-væske-fast proces, hvor bomuld tjente som kulstofkilde, mens amorfe borpulvere tjente som en kilde til bor, sammen med en katalysator. Holdet adskilte B ₄ C-NWS fra substratet via ultralydsvibrationer og studerede de kemiske bindingstilstande i materialet ved hjælp af røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) for at bekræfte produktionen af ​​højkvalitets B ₄ C-NWs. For derefter direkte at syntetisere og selvsamle B ₄ C-NWs@graphene, Song et al. blandet grafitpulver og B ₄ C-NWs. Brug derefter transmissionselektronmikroskopi (TEM), de viste, hvordan grafit med succes blev eksfolieret til grafen, mens B ₄ C-NWS forblev intakt i blandingen. Under den syntetiske procedure, grafenpladerne samles samtidig selv på B ₄ C-NWs overflade. Ved at bruge både højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (HRTEM) inspektion og det tilsvarende hurtige Fourier transformation (FFT) mønster, Song et al. bekræftet selvsamling af grafen på B ₄ C-NW'er med høj kvalitet, samtidig med at enkelt- og flerlagsfunktioner bevares.

Karakterisering af B ₄ C-NWs@graphene-konstruktioner

Forskerne spredte B4C-NWs@graphene på epoxy nanokompositter og udførte trepunktsbøjningstest på kompositterne og epoxymaterialerne. Sammenlignet med prøver af rå epoxyharpiks, B ₄ C-NWs@graphene nanokompositter gennemgik en større plastisk deformation før brud. Resultaterne viste, hvordan grafen styrkede båndet mellem B ₄ C-NW'er og epoxymatrixen som et grænseflademiddel, mens en række mekanismer, der lettede bøjning, i fællesskab bidrog til øget sejhed af B ₄ C-NWs@graphene kompositter. På denne måde grafen tillod bedre spredningsevner for nanofyldstofferne i matrixen, giver forbedret belastningsoverførsel og ledforstærkning i styrke og sejhed. For bedre at forstå spredningskvaliteten af ​​B ₄ C-NWs@graphene konstruktioner, Song et al. beregnet det teoretiske elasticitetsmodul for kompositterne. Resultaterne viste, at kompositterne bibeholdt enestående styrke og sejhed sammenlignet med andre kompositter rapporteret i litteraturen.

Molekylær dynamik simuleringer

Holdet udførte simuleringer af molekylær dynamik (MD) for først at forstå, hvordan grafenplader redigerede B. ₄ C-NW overflade og hvordan grafen tillod spredning af B ₄ C-NW'er samt forbedret belastningsoverførsel i kompositterne. De udførte derefter MD-simuleringer for at teste udtrækningsprocessen af ​​nanofillers fra en epoxymatrix for at forstå klæbestyrken mellem nanofillerne og matrixen. MD-simuleringerne stemte overens med de eksperimentelle observationer og afdækkede detaljer om den forbedrede interaktionsbarriere af den grafen-skræddersyede B ₄ C-NW'er for at forbedre spredningsydelsen. Song et al. udført simuleringer for at undersøge udtrækningsprocessen af ​​nanofillere fra epoxymatricen og beregnet interaktionsenergien for at forstå klæbestyrken mellem nanofillerne og matrixen. B ₄ C-NWs@graphene viste højere interaktionsenergi med epoxy og større udtræksspidskraft på grund af tilstedeværelsen af ​​grafen, hvilket gjorde nanofilleren med større overfladeareal. Ud over, det større antal interagerende atomer og komplekse geometrier af kompositten forbedrede grænsefladestyrken og belastningsoverførselseffektiviteten.

På denne måde Ningning Song og kolleger brugte grafenark til at skræddersy grænsefladen mellem B ₄ C-NW'er og epoxymaterialer. Holdet syntetiserede nanokompositmaterialet (B ₄ C-NWs@graphene) ved at blande grafenpulver og B ₄ C-NWs i fortyndet vand. Den resulterende suspension viste homogen dispersion i vand og i epoxymaterialer for forbedret belastningsoverførselseffektivitet, samtidig med at den mekaniske ydeevne af kompositterne forbedres. Denne billige og effektive grafen-indpakningsteknik vil åbne nye veje til at udvikle stærke og seje nanokompositter, med applikationer inden for medicin, farmakologi og lægemiddellevering, gør det muligt for grafenindpakkede nanopartikler at overvinde effluxpumper og lægemiddelresistens.

© 2020 Science X Network