Under de senaste 50 åren har tillverkare har ansett kolfiber som ett drömmaterial:Även om enskilda fibrer är tunnare än en hårstrå, de kan vridas ihop och smälta ihop med ett matrismaterial för att bilda en lätt komposit som är starkare än stål, dubbelt så stel och en bra värmeledare. Och, till skillnad från metaller, materialet spricker inte med tiden. Den har använts i ett brett spektrum av applikationer, inklusive luft och rymdfarkoster, bilar, byggnader, medicinsk utrustning och sportutrustning.

Men kolfiber har en stor nackdel, sa Husker -ingenjören Yongfeng Lu, en expert på kolmaterial. Under extrema temperaturer - förekommer rutinmässigt inom flygindustrin, till exempel — kolfiber oxiderar, vilket betyder att den reagerar med syre i luften och brinner, precis som trä gör när det kombineras med tillräckligt med värme och syre. Oxidation minskar snabbt de drömliknande egenskaperna hos kolfiber, särskilt dess styrka.

"En svaghet med kolfibrer är att de lätt bränns om du har tillräckligt höga temperaturer och syre närvarande, "sa Lu, Lott Distinguished University Professor i el- och datateknik. "Om vi ​​kunde göra dem icke brandfarliga, så att de inte brinner när de utsätts för eld, det vore spännande. "

I en ny tidning publicerad i PNAS , Lus team beskriver ett stort steg mot det målet. Han och kollegor från University of Nebraska – Lincoln och Institute of Condensed Matter Chemistry i Bordeaux i Frankrike utvecklade en billig kostnad, skalbar metod för att skydda kolfiber mot oxidation. Tillvägagångssättet representerar en betydande förbättring jämfört med andra antioxidationsprocesser som är mödosamma, långsam och dyr.

"Vi försöker lägga till ytskikt som kan separera kolfibrer från syre så att även under höga temperaturer, de kommer inte att brännas, "Lu sade." Kolfibrer kan användas på många sätt - vävda i textilier och i delar av byggnader, flygplan, elektronikutrustning - men om de är brandfarliga, som utgör en ny risk för systemet och begränsar dessa applikationer mycket. "

För att eliminera brandfarlighet, Lus team har tagit fram en enkel, enstegsprocess som börjar med att smälta ett salt som kemiskt mycket liknar bordsalt. Efter att saltkristallerna blivit en vätska, forskarna lägger till titan- och krompulver, som är kända för att klara höga temperaturer. Kolfibrer tillsätts sedan till blandningen.

Efter en spontan reaktion, processen ger en treskiktsbeläggning-av kromkarbid och titankarbid-som fungerar som en barriär mot oxidation. Beläggningen är flerskiktad eftersom titan och krom var och en har olika beteenden och reaktionshastigheter i det smälta saltet, vilket leder till tre olika lager av slutprodukt. Denna trippelbeläggning ger extra skydd jämfört med ett enda lager.

När forskarna utvärderade de belagda kolfibrerna mot extrema temperaturer - cirka 2, 200 grader Fahrenheit - och extrema miljöförhållanden simulerade de med en oxiacetylenlåga, de fann att kolmaterialet behöll sin struktur. Lu sa att nästa steg är att identifiera hur brandsäkra de belagda fibrerna jämförs med deras oskyddade motsvarigheter, och hur länge de kan behålla sina mest värdefulla egenskaper under extrema förhållanden.

Lu -teamet är inte det första som utforskar metoder för att skydda kolfibrer mot oxidation, men om det lyckas under ytterligare testning, tillvägagångssättet skulle vara det första med storskalig lönsamhet. Tidigare tillvägagångssätt, såsom kemisk ångavsättning, involverar dyr utrustning, flera steg och kemiska reaktioner som är svåra att kontrollera. Metoden för smält salt kringgår dessa fallgropar genom att använda grundläggande, billiga material som genomgår en spontan process vid en relativt låg temperatur på cirka 1, 800 grader Fahrenheit.

Processen är också snabb och ren, att använda den för utbredd industriell användning.

"Vi har hittat ett recept som kan bilda tre lager i ett enda tillstånd, "Lu sa." Med ett enda dopp, vi kan få tre lager beläggning. "