Afgelopen winter, MIT-onderzoekers ontdekten dat een fenol-formaldehydepolymeer omgezet in een glasachtig koolstofmateriaal in een proces dat vergelijkbaar is met bakken de beste combinatie van hoge sterkte en lage dichtheid bereikt bij 1, 000 graden Celsius (1, 832 graden Fahrenheit). Nu hebben ze vastgesteld dat ze kunnen een vergelijkbare glazige transformatie bereiken, maar bij een meer industrieel toegankelijke temperatuur van 800 C door een kleine fractie koolstofnanobuisjes aan dit materiaal toe te voegen.

Als de polymere uitgangskoolwaterstof, bekend als een fenol-formaldehyde polymeerhars, wordt verwarmd vanaf 600 C, de grootte van zijn kristallieten groeit totdat het een plateau bereikt op 1, 000 C. Postdoc Itai Y. Stein zegt dat wetenschappelijke literatuur aantoont dat dit plateau standhoudt tot ruim boven de 2, 000 C. De toevoeging van 1 volumeprocent van uitgelijnde koolstofnanobuisjes aan het uitgangsmateriaal maakt het mogelijk om de plateaukristallietgrootte te bereiken bij een temperatuur van 200 C lager.

"Wat we laten zien, is dat door koolstofnanobuisjes toe te voegen, we bereiken dit plateau eerder, " zegt Stein. De bevindingen werden op 22 augustus gerapporteerd in de Tijdschrift voor materiaalkunde online. De co-auteurs waren Stein, voormalig Materials Processing Center-Center for Materials Science and Engineering (MPC-CMSE) Summer Scholars Ashley L. Kaiser (2016) en Alexander J. Constable (2015), postdoc Luiz Acauan, en de senior auteur, hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart Brian L. Wardle. Kaiser is nu een afgestudeerde student in Wardle's lab.

Verbetering van de maakbaarheid

"Dit werk heeft de interessante bevinding dat nanostructuren helpen bij het fabriceren [en] vervaardigen van de glasachtige koolstofcomposieten, Wardle zegt. "Vroege lessen met nanomaterialen toonden in grote lijnen aan dat nanostructuren de productie belemmeren, echter, we vinden een thema in verschillende onderzoeksgebieden dat, wanneer gecontroleerd, de nanostructuren kunnen worden gebruikt om de productie te verbeteren, soms aanzienlijk. Terwijl de nanostructuren - hier, uitgelijnde koolstofnanobuizen - zijn waardevol als versterking voor de glasachtige koolstof, ze kunnen ook worden gebruikt om de maakbaarheid te verbeteren. Ashley en Itai gaan nog verder met dit werk om de grenzen te testen."

Kristallietgrootte is sterk gebonden aan hardheid, wat een maat is voor mechanische prestaties zoals sterkte en taaiheid. Het is een van de belangrijkste eigenschappen van het glasachtige koolstofmateriaal.

"Als je kijkt naar de hardheid genormaliseerd door de dichtheid, we hebben eerder ontdekt dat het eerste punt in het plateaugebied het beste punt is, omdat daar het glasachtige koolstofmateriaal het minst dicht en het hardst is, ' zegt Steen.

De primaire bevinding van het eerdere artikel was dat meer wanorde in de rangschikking van koolstofkristallieten leidde tot grotere hardheid en lagere dichtheid in het glasachtige koolstofmateriaal, die werd verkregen door een fenol-formaldehydepolymeer te bakken in afwezigheid van zuurstof. Het getransformeerde materiaal wordt ook wel pyrolytische koolstof of PyC genoemd.

Hoewel het polymeer verandert in een grafietachtig materiaal, het bereikt nooit de meer geordende structuur van grafiet. Dit verschil wordt bevestigd door röntgendiffractie (XRD) analyse van monsters gebakken met, en zonder, koolstofnanobuisjes en vergeleken met een standaardindicator voor grafiet die bekend staat als de Bernal-stapelvolgorde. Het type wanorde onder kristallieten wordt hier turbostratische stapeling genoemd, waarbij de vlakken waaruit de kristallieten bestaan ​​willekeurig ten opzichte van elkaar worden geroteerd vanwege gaten (of vacatures) en kromming. XRD-onderzoeken uitgevoerd in de gedeelde experimentele faciliteiten van het Center for Materials Science and Engineering valideerden ook de evolutie van de kristallietgrootte in relatie tot de baktemperatuur.

Om je deze stoornis voor te stellen in vergelijking met de perfecte hexagonale structuur van grafeen of herhalende gelaagde structuur van grafiet, Stein stelt voor te denken aan een stapel platte vierkante stukjes papier. De papieren stapelen zich gemakkelijk op tot een perfect vierkant met minimale ruimte tussen elk vel. Maar als elk stuk papier eruit wordt gehaald, verfrommeld, en dan weer licht afgeplat, het zou frustrerend zijn om de vellen opnieuw te ordenen in een nette stapel.

Een soortgelijke stoornis komt voor in de moleculaire structuur van de glasachtige koolstof, omdat de voorloper fenol-formaldehydepolymeer begint met een gecompliceerde mix van koolstofrijke verbindingen en de baktemperatuur niet hoog genoeg is om ze allemaal af te breken tot eenvoudigere koolstofstructuren. Raman-spectroscopieresultaten bevestigden de aanwezigheid van deze defecten in de koolstofstructuur. Een andere techniek, Fourier Transform Infraroodspectroscopie, bevestigde de aanwezigheid van zuurstof- en waterstofgroepen in de kristallieten.

"Het is afkomstig van de polymere voorloper die we gebruiken, het fenol-formaldehyde, en ze zitten gewoon vast; ze kunnen niet weg, ’ legt Steen uit.

Het eerdere artikel van de onderzoekers toonde aan dat de aanwezigheid van deze meer complexe koolstofverbindingen in het materiaal het versterkt door te leiden tot driedimensionale verbindingen die moeilijk te verbreken zijn. Het nieuwe werk laat zien dat de koolstofnanobuisjes geen effect hebben op deze zuurstof- of waterstofsubstructuren in het materiaal.

Steen zegt dat voor de huidige studie, het doel was om te onderzoeken wat er gebeurt als koolstofnanobuisjes worden toegevoegd en de baktemperatuur wordt verhoogd; specifiek, welk effect, indien van toepassing, de nanobuisjes hebben op kristallietgroei. Ze ontdekten dat de nanobuisjes het kristallietvormingsproces op mesoschaal beïnvloeden, die wordt gemeten in tientallen nanometers, terwijl al het andere onveranderd blijft. belangrijk, alleen de kristallietgrootte wordt beïnvloed door de toevoeging van de koolstofnanobuisjes.

"We waren verrast om geen verandering te zien in de grafietachtige aard van ons polymeer omdat het wordt gebakken in de aanwezigheid van koolstofnanobuisjes, "zegt hij. "Niettemin, dat is een zeer interessante bevinding omdat we de verwerkingstemperatuur kunnen verlagen zonder de structuur van de resulterende glasachtige koolstof aan te tasten. Omdat de eigenschappen van de glasachtige koolstof afhankelijk zijn van de structuur, deze bevinding zou een industrieel proces van deze technologie in staat kunnen stellen om aanzienlijke energiebesparingen te realiseren."

Snellere structurele evolutie

"De koolstofnanobuisjes zorgen ervoor dat de structuur van de composiet sneller kan evolueren op mesoschaal, zodat het zijn eindtoestand bereikt bij een lagere verwerkingstemperatuur, Kaiser voegt toe. "Deze nanobuisjes verminderen ook het totale gewicht van het materiaal. Op deze manier, we zijn in staat om onze composiet bij een lagere temperatuur te produceren, terwijl de dichtheid wordt verlaagd en de uitstekende eigenschappen behouden blijven."

Stein merkt op dat de onderzoekers in het eerdere werk ook hebben aangetoond dat het verhogen van de verwerkingstemperatuur boven 1 000 C resulteerde in een zwakker materiaal.

"Dus we verlagen in wezen de temperatuur die je nodig hebt om de beste eigenschappen te bereiken, Stein zegt over het nieuwe rapport. "Als je kijkt naar de hardheid genormaliseerd door de dichtheid, dit [800 graden C] is het beste punt, want hier wordt verwacht dat de glasachtige koolstof het minst dicht en het hardst is."

Stein zegt dat de lagere verwerkingstemperatuur deze fenolische materialen ook meer compatibel kan maken met metalen waarvan het smeltpunt lager is dan 1. 000 C, die op hun beurt nuttig kunnen zijn voor 3D-printen.

"De toepassing waar we specifiek aan dachten om dit in te gebruiken, zijn metamaterialen, " zegt hij. "Als je nanobuisjes kunt gebruiken om de temperatuur waarop je bakt te verlagen, als je het wilt omzetten naar koolstof, gewoon pure koolstof, dan zou dat het toegankelijker kunnen maken. Die 200 graden Celsius is voor veel processen een groot verschil."

In de nieuwe bevindingen de onderzoekers experimenteerden op een materiaal met slechts 1 procent koolstofnanobuisjes per volume. Ze zijn van plan om dit op te volgen door de impact te bestuderen van het verhogen van het aandeel koolstofnanobuisjes tot 20 volumeprocent. "We willen gewoon zien of de nanobuisjes het sterker maken, "zegt Stein. Ze zullen ook kijken naar het effect op de grootte en dikte van de kristallieten van de toegevoegde koolstofnanobuisjes.

Nanostructuren van de volgende generatie

"Een hele reeks structurele composieten zou baat hebben bij deze studie, met name ultralichte nanostructuren van de volgende generatie, " zegt Piran R. Kidambi, assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering aan de Vanderbilt University, die niet bij dit onderzoek betrokken was.

"De studie wees uit dat uitgelijnde koolstof nanobuis-glasachtige koolstofmatrix nanocomposieten op meso-schaal veel sneller evolueerden met een plateau in kristallietgroottes (een belangrijke kwaliteitsmaat) bij een temperatuur tot 200 graden Celsius lager in vergelijking met het hebben van een zuivere glasachtige koolstofmatrix , ", zegt Kidambi. "Lagere temperaturen zijn goed nieuws voor de productie om de verwarmingskosten bij de verwerking te minimaliseren, en recente modellen vertellen ons dat slanke kristallieten wenselijk zijn omdat ze de glasachtige koolstofhardheid verhogen. Vandaar dat een combinatie van een plateau in kristallietmaten en lagere temperaturen zeer interessant is vanuit een productieperspectief. Dit is hoogwaardig onderzoek dat gebruikmaakt van fundamentele inzichten om productie-/syntheseroutes voor superieure composieten te informeren en te begeleiden."

Kaiser's werk als 2016 MPC-CMSE Summer Scholar vormt het grootste deel van de experimentele resultaten van het papier, behalve de Raman-spectroscopieresultaten. "Het is een zeer robuuste en gerichte bijdrage, ' zegt Steen.

"Ik vond het geweldig om bij dit onderzoek betrokken te zijn toen ik Summer Scholar was, " zegt Kaiser. "Nu, in staat zijn om terug te komen naar MIT als afgestudeerde student, weer lid worden van de Wardle-groep, en publiceren van dit werk is erg spannend. Ik sta te popelen om door te gaan met werken aan composieten terwijl ik hier mijn doctoraat in materiaalwetenschap en techniek voortzet."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.