Nanocomposiet-interfaces op maat maken met grafeen om hoge sterkte en taaiheid te bereiken

De zwakke grensvlakinteractie tussen nanovullers en matrix nanocomposieten tijdens materiaaltechniek hebben ervoor gezorgd dat nanovulversterkende effecten ver onder de theoretisch voorspelde waarden liggen. In een nieuw rapport nu gepubliceerd op Science Advances, Ningning Song, en een team van wetenschappers van de afdeling mechanische en lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Virginia, VS, demonstreerden met grafeen boorcarbide (B.₄C) nanodraden (B.₄C-NWs @ grafeen). De constructen zorgden voor een uitzonderlijke verspreiding van nanodraden in de matrix en droegen bij aan de overtreffende trap van nanodraad-matrixbinding. De B.₄C-NWs @ grafeen construeert versterkte epoxycomposieten en vertoonde gelijktijdige verbetering in sterkte, elastische modulus en ductiliteit. Door grafeen te gebruiken om de samengestelde interfaces op maat te maken, hebben Song et al. effectief gebruik gemaakt van de nanovullers om de efficiëntie van de ladingsoverdracht te verdubbelen. Zij gebruikten moleculaire dynamica simulaties om het zelfassemblagemechanisme voor afschuifmenging van het grafeen / nanodraadconstruct te ontgrendelen. De goedkope techniek opent een nieuw pad om sterke en taaie nanocomposieten te ontwikkelen om interfaces te verbeteren en efficiënte overdracht van hoge belasting mogelijk te maken.

Nanovullers – nanodraden en nanodeeltjes

Nanovullers inclusief nanodraden en nanodeeltjes kunnen veel grotere specifieke oppervlakken hebben dan microfillers. In theorie bieden ze daarom ideale verstevigingen voor uitzonderlijke gewrichtsverbeteringen in sterkte en taaiheid. In de materiaalkunde en engineering blijven nanocomposieten deze belofte echter waarmaken vanwege de zwakke grensvlakbinding tussen de vulstoffen en de matrix. Boriumcarbide (B₄C) is het derde hardste materiaal dat in de natuur bekend is, en wordt vaak geprezen om zijn sleutel fysiek en mechanisch eigendommen. Bij gebruik als versterkingen in nanocomposieten kan de B.₄C nanodraden (B.₄C-NW’s) alleen vertonen geen versterkend effect vanwege de zwakke dispersie in de matrix en vanwege de zwakke grensvlakbinding. Daarom is het belangrijk om nanocomposiet-interfaces te ontwikkelen om hun volledige potentieel te realiseren. Van de vele nadert in het spel en eerder onderzocht in materiaalkunde en nanomaterialen, Song et al. rapporteer een techniek van grafeeninterface-engineering. In dit mechanisme hebben ze B gelijmd₄C-NW’s met grafeen om de sterkte en taaiheid van het resulterende materiaal uitzonderlijk te verbeteren. Ze converteerden de hoogwaardige grafeenplaten naar grafiet en wikkelden ze tegelijkertijd om de B₄C-NW’s via shear mixing om de B te verkrijgen₄C-NWs @ grafeen constructies.

Het synthetiseren van de B₄C-NWS @ grafeen constructies

Song et al. groeide eerst B₄C-NWS gelijkmatig op het oppervlak van een koolstofvezeldoek door een typisch damp-vloeistof-vast proces, waar katoen diende als een bron van koolstof, terwijl amorfe boorpoeders dienden als een bron van boor, naast een katalysator. Het team scheidde de B₄C-NWS van het substraat via ultrasone trillingen en bestudeerde de chemische bindingstoestanden in het gebruikte materiaal röntgen foto-elektrische pectroscopie (XPS) om de productie van hoogwaardige B te bevestigen₄C-NWs. Om vervolgens direct de B te synthetiseren en zelf samen te stellen₄C-NWs @ grafeen, Song et al. gemengde grafietpoeders en B₄C-NWs. Gebruik dan transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) lieten ze zien hoe grafiet met succes werd geëxfolieerd tot grafeen, terwijl B.₄C-NWS bleef intact in het mengsel. Tijdens de synthetische procedure werden de grafeenvellen tegelijkertijd zelf geassembleerd op de B₄C-NWs oppervlak. Beide gebruiken transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM) inspectie en de bijbehorende snelle Fourier-transformatie (FFT) patroon, Song et al. bevestigde zelfassemblage van grafeen op de B.₄C-NW’s met hoge kwaliteit, met behoud van monolaag en meerlaagse functies.

Kenmerkend voor de B₄C-NWs @ grafeen constructies

De wetenschappers verspreidden het B4C-NWs @ grafeen over epoxy-nanocomposieten en voerden driepuntsbuigproeven uit op de composieten en epoxymaterialen. In vergelijking met ruwe epoxyharsmonsters, is de B.₄C-NWs @ grafeen nanocomposieten ondergingen een grotere plastische vervorming voordat ze braken. De resultaten lieten zien hoe grafeen de band tussen de B versterkte₄C-NW’s en de epoxymatrix als grensvlakmiddel, terwijl een reeks mechanismen die het buigen mogelijk maakten samen bijdroegen tot verbeterde taaiheid van de B₄C-NWs @ grafeencomposieten. Op deze manier zorgde grafeen voor betere dispersiemogelijkheden voor de nanofillers in de matrix, wat verbeterde belastingoverdracht en gewrichtsversterking in sterkte en taaiheid opleverde. Om de verspreidingskwaliteit van B beter te begrijpen₄C-NWs @ grafeenconstructies, Song et al. berekende de theoretische elastische modulus van de composieten. De resultaten toonden aan dat de composieten uitzonderlijke sterkte en taaiheid behielden in vergelijking met andere composieten gerapporteerd in de literatuur.

Moleculaire dynamica simulaties

Het team voerde moleculaire dynamica (MD) -simulaties uit om eerst te begrijpen hoe grafeenvellen de B hebben bewerkt₄C-NW oppervlak en hoe grafeen de verspreiding van B mogelijk maakte₄C-NW’s en verbeterde belastingoverdracht in de composieten. Vervolgens voerden ze MD-simulaties uit om het uittrekproces van nanovullers uit een epoxymatrix te testen om de kleefkracht tussen de nanovullers en de matrix te begrijpen. De MD-simulaties kwamen overeen met de experimentele observaties en ontdekten details van de verbeterde interactiebarrière van de op grafeen afgestemde B.₄C-NW’s om de dispersieprestaties te verbeteren. Song et al. simulaties uitgevoerd om het uittrekproces van nanovullers uit de epoxymatrix te onderzoeken en de interactie-energie berekend om de hechtsterkte tussen de nanovullers en de matrix te begrijpen. De B.₄C-NWs @ grafeen vertoonde een hogere interactie-energie met epoxy en een grotere uittrekkracht door de aanwezigheid van grafeen, waardoor de nanovulstof een groter oppervlak kreeg. Bovendien verbeterde het grotere aantal op elkaar inwerkende atomen en de complexe geometrieën van de composiet de sterkte van het grensvlak en de efficiëntie van de belastingoverdracht.

Op deze manier gebruikten Ningning Song en collega’s grafeenvellen om de interface tussen B₄C-NW’s en epoxymaterialen. Het team synthetiseerde het nanocomposietmateriaal (B.₄C-NWs @ grafeen) door het mengen van grafeenpoeders en B₄C-NWs in verdund water. De resulterende suspensie vertoonde een homogene dispersie in water en in epoxymaterialen voor een verbeterde belastingoverdrachtsefficiëntie, terwijl de mechanische prestaties van de composieten werden verbeterd. Deze goedkope en efficiënte grafeenwikkeltechniek zal nieuwe wegen openen om sterke en taaie nanocomposieten te ontwikkelen, met toepassingen in de geneeskunde, farmacologie en medicijnafgifte, waardoor met grafeen omwikkelde nanodeeltjes effluxpompen en medicijnresistentie kunnen overwinnen.