Wetenschappers van Rice University hebben een betere epoxy gemaakt voor elektronische toepassingen.

Epoxy gecombineerd met "ultrastijf" grafeenschuim, uitgevonden in het Rice-lab van chemicus James Tour, is aanzienlijk sterker dan pure epoxy en veel beter geleidend dan andere epoxycomposieten, terwijl de lage dichtheid van het materiaal behouden blijft. Het zou de epoxy's die momenteel worden gebruikt, die de structuur van het materiaal verzwakken, kunnen verbeteren door de toevoeging van geleidende vulstoffen.

Het nieuwe materiaal wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

op zichzelf, epoxy is een isolator, en wordt vaak gebruikt in coatings, lijmen, elektronica, industriële tooling en structurele composieten. Metaal- of koolstofvulstoffen worden vaak toegevoegd voor toepassingen waar geleidbaarheid gewenst is, zoals elektromagnetische afscherming.

Maar er is een afweging:meer vulstof zorgt voor een betere geleidbaarheid ten koste van gewicht en druksterkte, en het composiet wordt moeilijker te verwerken.

De Rice-oplossing vervangt metaal- of koolstofpoeders door een driedimensionaal schuim gemaakt van nanoschaalplaten van grafeen, de atoomdikke vorm van koolstof.

Het Tour-lab, in samenwerking met rijstmateriaalwetenschappers Pulickel Ajayan, Rouzbeh Shahsavari en Jun Lou en Yan Zhao van de Beihang University in Peking, haalden hun inspiratie uit projecten om epoxy te injecteren in 3D-steigers, waaronder grafeen-aerogels, schuimen en skeletten uit verschillende processen.

Het nieuwe schema maakt veel sterkere steigers van polyacrylonitril (PAN), een polymeerhars in poedervorm die ze gebruiken als koolstofbron, gemengd met nikkelpoeder. In het vierstappenproces ze persen de materialen koud om ze dicht te maken, verwarm ze in een oven om de PAN om te zetten in grafeen, behandel het resulterende materiaal chemisch om het nikkel te verwijderen en gebruik een vacuüm om de epoxy in het nu poreuze materiaal te trekken.

"Het grafeenschuim is een enkel stuk grafeen met weinig lagen, " zei Tour. "Daarom, in werkelijkheid, het hele schuim is één groot molecuul. Wanneer de epoxy het schuim infiltreert en vervolgens uithardt, elke buiging in de epoxy op één plaats zal de monoliet op veel andere locaties belasten vanwege de ingebedde grafeensteiger. Dit verstevigt uiteindelijk de hele structuur."

De puckvormige composieten met 32 ​​procent schuim waren iets dichter, maar had een elektrische geleidbaarheid van ongeveer 14 Siemens (een maat voor geleidbaarheid, of inverse ohm) per centimeter, volgens de onderzoekers. Het schuim voegde geen significant gewicht toe aan de verbinding, maar gaf het zeven keer de druksterkte van pure epoxy.

Gemakkelijke vergrendeling tussen het grafeen en epoxy hielp ook de structuur van het grafeen te stabiliseren. "Wanneer de epoxy het grafeenschuim infiltreert en vervolgens uithardt, de epoxy wordt opgevangen in micron-sized domeinen van het grafeenschuim, ' zei Tour.

Het lab verhoogde de lat door meerwandige koolstofnanobuisjes in het grafeenschuim te mengen. De nanobuisjes fungeerden als wapeningsstaven die zich aan het grafeen hechtten en de composiet 1 vormden. 732 procent stijver dan pure epoxy en bijna drie keer zo geleidend, met ongeveer 41 Siemens per centimeter, veel groter dan bijna alle tot nu toe gerapporteerde epoxycomposieten op basis van steigers, volgens de onderzoekers.

Tour verwacht dat het proces zal schalen voor de industrie. "Je hebt alleen een oven nodig die groot genoeg is om het uiteindelijke onderdeel te produceren, " zei hij. "Maar dat wordt altijd gedaan om grote metalen onderdelen te maken door ze koud te persen en vervolgens te verwarmen."

Hij zei dat het materiaal in eerste instantie de koolstof-composietharsen zou kunnen vervangen die worden gebruikt voor het pre-impregneren en versterken van weefsel dat wordt gebruikt in materialen van ruimtevaartstructuren tot tennisrackets.