(PhysOrg.com) -- Drie nieuwe studies van onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute illustreren waarom grafeen het nanomateriaal bij uitstek zou moeten zijn om composietmaterialen te versterken die in alles worden gebruikt, van windturbines tot vliegtuigvleugels.

Composieten doordrenkt met grafeen zijn sterker, stijver, en minder storingsgevoelig dan composieten doordrenkt met koolstofnanobuisjes of andere nanodeeltjes, volgens de onderzoeken. Dit betekent grafeen, een atoomdikke laag koolstofatomen gerangschikt als een hek met kettingschakels op nanoschaal, zou een belangrijke factor kunnen zijn bij de ontwikkeling van nanocomposietmaterialen van de volgende generatie.

“Ik werk al 10 jaar in nanocomposieten, en grafeen is de beste die ik ooit heb gezien in termen van mechanische eigenschappen, " zei Nikhil Koratkar, hoogleraar bij de vakgroep Mechanische, ruimtevaart, en Nuclear Engineering bij Rensselaer, die de studies leidde. "Grafeen is veel beter dan koolstofnanobuisjes of andere bekende nanovulstoffen in het overbrengen van zijn uitzonderlijke sterkte en mechanische eigenschappen naar een gastheermateriaal."

De resultaten van Koratkars studies worden gedetailleerd beschreven in drie recent gepubliceerde artikelen:"Fracture and Fatigue in Graphene Nanocomposites, " gepubliceerd in Klein ; "Verbeterde mechanische eigenschappen van nanocomposieten bij laag grafeengehalte, " gepubliceerd in ACS Nano ; en "Knikbestendige grafeen-nanocomposieten, ” gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven.

Geavanceerde composieten zijn steeds meer een belangrijk onderdeel in het ontwerp van nieuwe windmolenbladen, vliegtuigen, en andere toepassingen die ultralichte, materialen met een hoge sterkte. Epoxy composietmaterialen zijn extreem licht van gewicht, maar kan broos zijn en vatbaar voor breuken. Het team van Koratkar heeft de geavanceerde composieten doordrenkt met stapels, of bloedplaatjes, van grafeen. Elke stapel is slechts enkele nanometers dik. Het onderzoeksteam infuseerde ook epoxycomposieten met koolstofnanobuisjes.

Epoxymaterialen doordrenkt met grafeen vertoonden veel superieure prestaties. In feite, het toevoegen van grafeen gelijk aan 0,1 procent van het gewicht van de composiet verhoogde de sterkte en de stijfheid van het materiaal in dezelfde mate als het toevoegen van koolstofnanobuizen gelijk aan 1 procent van het gewicht van de composiet. Deze winst, op de maat van één orde van grootte, benadrukt de belofte van grafeen, zei Koratkar. De grafeenvullers verhoogden ook de weerstand van het composiet tegen de voortplanting van vermoeiingsscheuren met bijna twee ordes van grootte, vergeleken met het basis epoxy materiaal.

Hoewel grafeen en koolstofnanobuizen bijna identiek zijn in hun chemische samenstelling en mechanische eigenschappen, grafeen is veel beter dan koolstofnanobuisjes in het lenen van zijn eigenschappen aan een materiaal waarmee het is gemengd.

“Nanobuizen zijn ongelooflijk sterk, maar mechanisch zijn ze van weinig nut als ze hun eigenschappen niet op het composiet overdragen, ' zei Koratkar. “Een ketting is zo sterk als de zwakste schakel, en als die verbinding tussen de nanobuis en het polymeer is, dan is dat wat de algehele mechanische eigenschappen bepaalt. Het maakt niet uit of de nanobuisjes supersterk of superstijf zijn, als het grensvlak met het polymeer zwak is, die interface gaat mislukken.”

Koratkar zei dat grafeen drie duidelijke voordelen heeft ten opzichte van koolstofnanobuisjes. Het eerste voordeel is de ruwe en gerimpelde oppervlaktetextuur van grafeen, veroorzaakt door een zeer hoge dichtheid van oppervlaktedefecten. Deze defecten zijn het resultaat van het thermische exfoliatieproces dat het Rensselaer-onderzoeksteam gebruikte om grote hoeveelheden grafeen uit grafiet te maken. Deze "rimpelige" oppervlakken sluiten buitengewoon goed aan op het omringende polymeermateriaal, helpen om de overdracht van de grensvlakbelasting tussen grafeen en het gastheermateriaal te stimuleren.

Het tweede voordeel is de oppervlakte. Als een schaafblad, grafeen profiteert van aanzienlijk meer contact met het polymeermateriaal dan de buisvormige koolstofnanobuisjes. Dit komt omdat de polymeerketens niet in de nanobuisjes kunnen komen, maar zowel de boven- als de onderkant van het grafeenvel kunnen in nauw contact staan ​​met de polymeermatrix.

Het derde voordeel is geometrie. Wanneer microscheuren in de composietstructuur een tweedimensionaal grafeenblad tegenkomen, ze zijn afgebogen, of gedwongen te kantelen en rond het blad te draaien. Dit proces helpt de energie te absorberen die verantwoordelijk is voor het voortplanten van de scheur. Scheurafbuigingsprocessen zijn veel effectiever voor tweedimensionale platen met een hoge aspectverhouding zoals grafeen, in vergelijking met eendimensionale nanobuisjes.

Koratkar zei dat de lucht- en ruimtevaart- en windenergie-industrie op zoek zijn naar nieuwe materialen om sterker te ontwerpen, rotor- en windturbinebladen met een langere levensduur. Zijn onderzoeksgroep is van plan om verder te onderzoeken hoe grafeen dit doel kan helpen. Grafeen is hiervoor veelbelovend omdat het kan worden gemaakt uit grafiet, die in grote hoeveelheden en tegen relatief lage kosten beschikbaar is, hij zei, wat betekent dat massaproductie van grafeen waarschijnlijk veel kosteneffectiever is dan nanobuisjes.

Co-auteurs van de drie papers zijn onder meer Rensselaer werktuigbouwkunde afgestudeerde studenten Mohammed A. Rafiee, Javad Rafie, en Iti Srivastava; zoals samen met de groep van professor Zhong-Zhen Yu aan de Beijing University of Chemical Technology.