Onderzoekers vinden thermische limieten van geavanceerde nanomaterialen

Een team van FAMU-FSU College of Engineering-onderzoekers van het High-Performance Materials Institute onderzoekt de thermische limieten van geavanceerde nanomaterialen, werk dat een directe impact kan hebben op medicijnafgiftesystemen, elektronica, ruimtevaart en andere toepassingen.

Het onderzoeksteam, geleid door assistent-professor in Industrial and Manufacturing Engineering Rebekah Sweat, voltooide de allereerste studie over hoe gezuiverde boornitride nanobuisjes stabiel blijven bij extreme temperaturen in inerte omgevingen.

Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Toegepaste nanomaterialen.

Boornitride nanobuisjes, of BNNT’s, zijn sterker en beter bestand tegen hoge temperaturen dan koolstof nanobuisjes. Net als hun neven van koolstof zijn het structuren gemeten op de nanometer – een lengte die gelijk is aan een miljardste van een meter.

Maar het vervaardigen van deze materialen is een uitdaging. De huidige methoden voor BNNT’s zijn nieuwer en leveren nog niet dezelfde hoeveelheden op als methoden die zijn bedacht voor koolstofnanobuisjes. Daarom is het belangrijk om meer te weten te komen over hoe ze werken.

De onderzoekers ontdekten dat BNNT’s volledig stabiel zijn tot 1800°C in een inerte omgeving, de chemisch inactieve atmosfeer waarin ze worden vervaardigd. Ze leerden ook dat BNNT’s gedurende korte perioden bestand zijn tegen temperaturen van 2200°C zonder de mechanische eigenschappen te verliezen die ze zo effectief maken.

“Dit onderzoek gaat over het blootleggen van een eigenschap die ongelooflijk nuttig is voor de toekomst,” zei Sweat. “We hebben een meer robuuste kennis van hoe BNNT’s presteren wanneer en hoe ze thermisch falen, omdat alle materialen beperkingen hebben. We hebben de manier veranderd waarop we dit soort composieten maken om hun eigenschappen beter te benutten.”

Mogelijke toepassingen voor deze lichte, sterke composietmaterialen zijn talrijk. Alles wat heet wordt, zoals een turbine of motor, kan ze gebruiken om te functioneren in een omgeving met hoge temperaturen. Ze zijn thermisch geleidend, wat betekent dat ze warmte snel verspreiden, en hun mechanische stabiliteit zorgt voor structurele versterking.

BNNT’s zijn bijzonder veelbelovend voor hun gebruik bij verkenning van de ruimte. Hun vermogen om warmte te geleiden, elektrische stroom te isoleren en straling te blokkeren, zou kunnen worden gebruikt in ruimterovers of een ruimtevaartuig tijdens de terugkeer naar de atmosfeer van de aarde. Diezelfde eigenschappen maken ze ook bruikbaar voor hoogwaardige elektronica.

“Het begrijpen van het gedrag van deze nanobuisjes bij hoge temperaturen is cruciaal voor het maken van materialen die bestand zijn tegen extreme omstandigheden, zowel bij de productie als bij hun uiteindelijke gebruik”, zegt hoofdauteur en promovendus Mehul Tank. “Naarmate we beter begrijpen hoe ze in deze omstandigheden functioneren, kunnen we een betere fabricage van composieten ontwikkelen die gebruik maken van verwerkingsmatrices bij hoge temperaturen, zoals keramiek en metalen.”

Dit werk werd gedeeltelijk gefinancierd door een subsidie ​​​​verdiend van FSU’s GAP Commercialization Investment Program, een evenement georganiseerd door het Office of Commercialization om academisch onderzoek om te zetten in potentiële commerciële projecten. De financiering die Sweat in 2022 ontving via het competitieve aanvraagproces van het Office of Commercialization, ondersteunde de fase van dit werk dat de verwerkingstemperaturen voor BNNT-keramische matrixcomposieten blootlegde, de focus van het GAP-project.

Naast de GAP-financiering werd deze studie ook ondersteund door een samenwerking met het in Virginia gevestigde bedrijf BNNT Materials. Het bedrijf synthetiseert BNNT’s en werkte samen met onderzoekers van de Florida State University om te ontdekken hoe de nanobuisjes hoge temperaturen overleefden en hoe verschillende chemieën zullen presteren.

“GAP heeft mijn team geholpen nieuwe wegen te verkennen en samenwerking aangemoedigd om dit werk verder te brengen,” zei Sweat. “Het aanvraagproces en de nadruk op het vertalen van onderzoek uit het laboratorium naar materialen die relevant zijn voor de industrie helpt ons onderzoek te richten op opwindende opkomende technologieën.”