De zwakke grensvlakinteractie tussen nanovulstoffen en matrix-nanocomposieten tijdens materiaalontwikkeling heeft ertoe geleid dat de versterkende effecten van nanovulstoffen ver onder de theoretisch voorspelde waarden liggen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Ningning-lied, en een team van wetenschappers van de afdeling mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Virginia, ONS., aangetoond met grafeen omhuld boorcarbide (B ₄ C) nanodraden (B ₄ C-NWs@grafeen). De constructies maakten een uitzonderlijke dispersie van nanodraden in de matrix mogelijk en droegen bij aan een superlatieve nanodraad-matrixbinding. de B ₄ C-NWs@graphene construeert versterkte epoxycomposieten en vertoonde gelijktijdige verbetering in sterkte, elasticiteitsmodulus en ductiliteit. Door grafeen te gebruiken om de composietinterfaces aan te passen, Song et al. de nanovulstoffen effectief gebruikt om de efficiëntie van de belastingoverdracht te verdubbelen. Ze gebruikten moleculaire dynamica-simulaties om het zelfassemblagemechanisme van afschuifmenging van het grafeen / nanodraad-construct te ontgrendelen. De goedkope techniek opent een nieuwe weg om sterke en taaie nanocomposieten te ontwikkelen om interfaces te verbeteren en een efficiënte overdracht van hoge belasting mogelijk te maken.

Nanovulstoffen – nanodraden en nanodeeltjes

Nanovulstoffen, waaronder nanodraden en nanodeeltjes, kunnen veel grotere specifieke oppervlakken hebben dan microvulstoffen. In theorie, ze bieden daarom ideale versterkingen voor uitzonderlijke verbindingsverbeteringen in sterkte en taaiheid. Echter, in materiaalkunde en techniek, nanocomposieten blijven deze belofte vervullen vanwege de zwakke grensvlakbinding tussen de vulstoffen en de matrix. Boorcarbide (B ₄ C) is het derde hardste materiaal dat in de natuur bekend is, vaak geprezen om zijn belangrijke fysieke en mechanische eigenschappen. Echter, wanneer gebruikt als versterkingen in nanocomposieten, de B ₄ C nanodraden (B ₄ C-NW's) alleen vertonen geen versterkend effect vanwege de zwakke dispersie in de matrix en vanwege de zwakke grensvlakbinding. Als resultaat, het is belangrijk om nanocomposiet-interfaces te ontwerpen om hun volledige potentieel te realiseren. Van de vele benaderingen die in het spel zijn en eerder zijn onderzocht in materiaalkunde en nanomaterialen, Song et al. rapporteer een techniek voor grafeeninterface-engineering. Bij dit mechanisme wordt ze lijmden B ₄ C-NW's met grafeen om de sterkte en taaiheid van het resulterende materiaal uitzonderlijk te verbeteren. Ze zetten de hoogwaardige grafeenvellen om in grafiet en wikkelden ze tegelijkertijd op de B ₄ C-NW's via afschuifmenging om de B . te verkrijgen ₄ C-NWs@graphene constructies.

Song et al. eerst groeide B ₄ C-NWS gelijkmatig op het oppervlak van een koolstofvezeldoek door een typisch damp-vloeistof-vast proces, waar katoen diende als koolstofbron, terwijl amorfe boorpoeders dienden als een bron van boor, naast een katalysator. Het team scheidde de B ₄ C-NWS van het substraat via ultrasone trillingen en bestudeerde de chemische bindingstoestanden in het materiaal met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) om de productie van hoogwaardige B ₄ C-NW's. Om vervolgens de B . direct te synthetiseren en zelf te assembleren ₄ C-NWs@grafeen, Song et al. gemengde grafietpoeders en B ₄ C-NW's. Vervolgens met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), ze lieten zien hoe grafiet met succes werd geëxfolieerd tot grafeen, terwijl B ₄ C-NWS bleef intact in het mengsel. Tijdens de synthetische procedure, de grafeenplaten gelijktijdig zelf-geassembleerd op de B ₄ C-NW's oppervlak. Met behulp van zowel hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) inspectie en het bijbehorende snelle Fourier-transformatie (FFT) patroon, Song et al. bevestigde zelfassemblage van grafeen op de B ₄ C-NW's met een hoge kwaliteit, met behoud van enkellagige en meerlagige kenmerken.

Kenmerkend voor de B ₄ C-NWs@grafeen constructies

De wetenschappers verspreidden de B4C-NWs@graphene op epoxy-nanocomposieten en voerden driepuntsbuigtests uit op de composieten en epoxymaterialen. In vergelijking met ruwe epoxyharsmonsters, de B ₄ C-NWs@graphene nanocomposieten ondergingen een grotere plastische vervorming vóór breuk. De resultaten lieten zien hoe grafeen de band tussen de B . versterkte ₄ C-NW's en de epoxymatrix als grensvlakmiddel, terwijl een reeks mechanismen die het buigen mogelijk maakten, samen hebben bijgedragen aan de verbeterde taaiheid van de B ₄ C-NWs@grafeen composieten. Op deze manier, grafeen zorgde voor betere dispersiemogelijkheden voor de nanovulstoffen in de matrix, zorgt voor een verbeterde belastingoverdracht en gezamenlijke versterking in sterkte en taaiheid. Om de dispersiekwaliteit van B . beter te begrijpen ₄ C-NWs@graphene constructies, Song et al. berekende de theoretische elasticiteitsmodulus van de composieten. De resultaten toonden aan dat de composieten uitzonderlijke sterkte en taaiheid behielden in vergelijking met andere composieten die in de literatuur worden vermeld.

Moleculaire dynamische simulaties

Het team voerde moleculaire dynamica (MD) -simulaties uit om eerst te begrijpen hoe grafeenvellen de B . bewerkten ₄ C-NW-oppervlak en hoe grafeen de verspreiding van B . mogelijk maakte ₄ C-NW's en verbeterde belastingoverdracht in de composieten. Vervolgens voerden ze MD-simulaties uit om het uittrekproces van nanovulstoffen uit een epoxymatrix te testen om de kleefkracht tussen de nanovulstoffen en de matrix te begrijpen. De MD-simulaties kwamen overeen met de experimentele waarnemingen en onthulden details van de verbeterde interactiebarrière van de op grafeen afgestemde B ₄ C-NW's om de dispersieprestaties te verbeteren. Song et al. simulaties uitgevoerd om het uittrekproces van nanovulstoffen uit de epoxymatrix te onderzoeken en de interactie-energie berekend om de hechtsterkte tussen de nanovulstoffen en de matrix te begrijpen. de B ₄ C-NWs@graphene vertoonde hogere interactie-energie met epoxy en grotere uittrekkracht door de aanwezigheid van grafeen, waardoor de nanofiller een groter oppervlak kreeg. In aanvulling, het grotere aantal op elkaar inwerkende atomen en complexe geometrieën van de composiet verbeterden de grensvlaksterkte en efficiëntie van de belastingoverdracht.

Op deze manier, Ningning Song en collega's gebruikten grafeenvellen om de interface tussen B . aan te passen ₄ C-NW's en epoxymaterialen. Het team synthetiseerde het nanocomposietmateriaal (B ₄ C-NWs@graphene) door afschuiving te mengen met grafeenpoeders en B ₄ C-NW's in verdund water. De resulterende suspensie vertoonde een homogene dispersie in water en in epoxymaterialen voor een verbeterde efficiëntie van de belastingoverdracht, terwijl de mechanische prestaties van de composieten worden verbeterd. Deze goedkope en efficiënte grafeenverpakkingstechniek zal nieuwe wegen openen om sterke en taaie nanocomposieten te ontwikkelen, met toepassingen in de geneeskunde, farmacologie en medicijnafgifte, waardoor in grafeen gewikkelde nanodeeltjes effluxpompen en medicijnresistentie kunnen overwinnen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk