Nanovezels leveren sterkere, strengere koolstofvezelcomposieten op

Onderzoekers van het US Department of Energy (DOE) ’s Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben een innovatieve nieuwe techniek ontwikkeld met behulp van koolstof nanovezels om binding in koolstofvezel en andere vezelversterkte polymeercomposieten te verbeteren-een vooruitgang waarschijnlijk om structurele materialen voor auto’s, vliegtuigen en andere toepassingen te verbeteren die lichtgewicht en sterk materialen vereisen.

De resultaten, gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde functionele materialenToon belofte voor het maken van producten die sterker en betaalbaarder zijn, waardoor nieuwe opties worden geopend voor Amerikaanse fabrikanten om koolstofvezel te gebruiken in toepassingen zoals energie en nationale veiligheid.

“De uitdaging om de hechting tussen koolstofvezels en de polymeermatrix die hen omringt te verbeteren, is al enige tijd een zorg in de industrie, en veel onderzoek is in verschillende benaderingen ingegaan”, zei Sumit Gupta, de Ornl -onderzoeker die het project leidde. “Wat we hebben gevonden, is dat een hybride techniek met behulp van koolstofnanovezels om chemische en mechanische binding te creëren uitstekende resultaten oplevert.”

Koolstofvezel is een soort composiet waarin strengen zuivere koolstof zijn ingebed in een polymeermatrix, net zoals de wapeningsstaal is ingebed in beton, waardoor het resulterende materiaal sterker en lichter is dan staal. De uitdaging is dat het matrixpolymeer niet sterk genoeg vasthoudt aan de koolstofvezel, waardoor de prestaties van het composietmateriaal worden verminderd. Om de interfaciale binding van de vezel-matrix te verbeteren, heeft de industrie geprobeerd de buitenkant van de vezels te texteren of chemicaliën in het proces te injecteren-met beperkt succes.

De ORNL-benadering combineert zowel mechanische als chemische binding om een ​​verbetering van 50% in treksterkte en een bijna tweevoudige toename van de taaiheid op te leveren, in wezen de duurzaamheid van het materiaal, door gebruik van zorgvuldig op maat gemaakte nanovezels.

“We hebben dit proces in 2023 ontwikkeld, maar zijn de laatste tijd gericht op het optimaliseren en volledig begrijpen van de fysieke processen die deze verbeteringen mogelijk maken,” zei Ornl -onderzoeker Chris Bowland. “We hebben geconstateerd dat we door meerdere variabelen zorgvuldig te besturen, nanovezels kunnen maken die de prestaties van koolstofvezelcomposieten en mogelijk andere soorten composieten aanzienlijk kunnen verbeteren.”

De sleutel tot de verbeteringen is een innovatieve techniek die bekend staat als elektrospinning waarbij een voorloper van koolstofvezel, polyacrylonitril, wordt geëxtrudeerd in vezels, net als een spin -extrude van zijde uit zijn buik. Het polyacrylonitril wordt geëxtrudeerd door een sterk elektrisch veld om strengen ongeveer 200 nanometer breed te produceren, of honderdste van de breedte van een typisch menselijk haar. De strengen landen op een draaiende metalen trommel die wordt overgehangen met koolstofvezelstof.

Door de sterkte van het elektrische veld te variëren, de snelheid van de trommel en andere factoren, kunnen de onderzoekers vezels creëren die chemisch binden aan de matrix en mechanisch binden aan andere koolstofvezels, in wezen “bruggen” tussen de twee ongelijke materialen creëren. De onderzoekers waren ook in staat om de soorten chemische binding en de oriëntatie van de vezels te regelen door de elektrospincondities aan te passen.

Het onderzoeksteam heeft een patent aangevraagd op de techniek en is van plan om industriële partners te zoeken om de aanpak in licentie te geven in de hoop het concurrentievermogen van commerciële koolstofvezelcomposieten te verbeteren, die al veel worden gebruikt in applicaties zoals auto’s, ruimtevaart en energie. Ze zien potentieel voor de versterkingstechniek om nieuwe toepassingen te openen voor het gebruik van koolstofvezel, zoals civiele infrastructuur of verdediging en veiligheid.

Een belangrijke beperkende factor voor bredere implementatie van koolstofvezel is kosten. Door de hechting van de vezel te verbeteren, kunnen fabrikanten minder van het materiaal gebruiken en zelfs kortere koolstofvezels gebruiken, bekend als discontinue vezels, die anders misschien zijn weggegooid.

Om ervoor te zorgen dat de nieuwe techniek zo impactvol en flexibel mogelijk is, wilde het team de krachten die op de meest fundamentele niveaus spelen diep begrijpen. Ze wendden zich voor het eerst tot Ornl’s Center for Nanophas Materials Sciences, een DOE Office of Science User Facility en de enorme reeks karakteriserings- en beeldvormingshulpmiddelen.

Met deze tools konden de onderzoekers zien wat er op het sub-micron-niveau gebeurde. Ze gebruikten ook technieken zoals röntgenverstrooiing en nucleaire magnetische resonantie (NMR) beeldvorming om te begrijpen hoe de vezels en matrix interageren.

Ten slotte hadden ze toegang tot de Frontier Supercomputer bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science User Facility, om volledig te modelleren en te simuleren hoe de vezels zich vormen en interageren met de matrix.

“De karakterisering en computationele wetenschap vereiste echt de middelen van een plek als Ornl,” zei Gupta. “Door toegang te krijgen tot expertise en mogelijkheden uit het hele lab, hebben we een dieper inzicht gekregen van deze techniek, samen met de mogelijkheid om deze te verbeteren en het voor de industrie flexibeler te maken in meerdere toepassingen.”

Het onderzoeksteam is van plan om de elektrospintechniek te blijven verfijnen om meer controle en betere resultaten te bieden, terwijl potentiële toepassingen voor andere vezelversterkte composieten worden verkennen. Lopend onderzoek is om de nieuwe techniek te integreren met eerder onderzoek naar het ontwikkelen van zelfgevoelige composieten die hun eigen gezondheid kunnen volgen door ingebedde deeltjes van halfgeleidende of piëzo-elektrische materialen.