Ett internationellt forskargrupp som leds av forskare vid Beihang University i Kina och University of Texas i Dallas har utvecklat högstyrka, supertuffa kolplåtar som kan tillverkas billigt vid låga temperaturer.

Teamet gjorde arken genom att kemiskt sy ihop blodplättar av grafitkol, som liknar grafiten som finns i den vanliga blyertens mjuka bly. Tillverkningsprocessen resulterade i ett material vars mekaniska egenskaper överstiger de för kolfiberkompositer som för närvarande används i olika kommersiella produkter.

"Dessa ark kan så småningom ersätta de dyra kolfiberkompositerna som används för allt från flygplan och bilkarosser till väderkvarnblad och sportutrustning, "sa Dr. Ray Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry vid UT Dallas och chef för Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. Baughman är en motsvarande författare till en artikel som beskriver materialet som publicerades online denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Dagens kolfiberkompositer är delvis dyra eftersom kolfibrerna produceras vid extremt höga temperaturer, som kan överstiga 2, 500 grader Celsius (cirka 4, 500 grader Fahrenheit).

"I kontrast, vår process kan använda grafit som grävs billigt från marken och bearbetas vid temperaturer under 45 grader Celsius (113 grader Fahrenheit), "sa Dr Qunfeng Cheng, professor i kemi vid Beihang University och en motsvarande författare. "Styrkan hos dessa ark i alla inriktningar i planet stämmer överens med plierade kolfiberkompositer, och de kan absorbera mycket högre mekanisk energi innan de misslyckas än kolfiberkompositer. "

Grafit består av trombocyter som består av staplade lager av grafen. Grafen är helt enkelt ett enda lager av kolatomer, arrangerat i ett mönster som ser ut som ett hönsnätstaket, där varje sexkant i nätet bildas av sex kolatomer.

"Medan forskare kontinuerligt kan göra stora ark grafen genom högtemperaturbearbetning, och har visat att dessa blad har en anmärkningsvärd styrka, det är opraktiskt att göra tjocka plattor av grafit genom att bara stapla grafenark med stor yta, "Sa Cheng." Man skulle behöva stapla cirka 150, 000 grafenark för att göra ett grafitark med ungefär tjockleken på ett människohår. "

Forskarna hittade inspiration i naturliga nakrar, även känd som pärlemor, vilket ger några snäckskal deras styrka och seghet. Nacre består av parallella trombocyter som är bundna av tunna lager av organiskt material, på samma sätt som tegelstenar i en vägg hålls samman av murbruk.

"Istället för att mekaniskt stapla grafenark med stor yta, vi oxiderar grafitplättar i mikronstorlek så att de kan spridas i vatten, och filtrera sedan denna dispersion för att billigt göra ark av orienterad grafenoxid, "Sa Baughman." Denna process liknar handgjorda pappersark genom att filtrera en uppslamning av fibrer.

"I detta skede, arken är varken starka eller sega, vilket betyder att de inte kan absorbera mycket energi innan de brister, "sa han." Tricket vi använder är att sy ihop blodplättarna i dessa ark med hjälp av sekventiellt infiltrerade överbryggande medel som sammankopplar överlappande närliggande trombocyter, och omvandla den oxiderade grafenoxiden till grafen. Nyckeln till detta framsteg är att våra överbryggande medel fungerar separat genom bildandet av kovalenta kemiska bindningar och van der Waals -bindningar. "

Ark som införlivade bryggmedlen var 4,5 gånger starkare och 7,9 gånger tuffare än agentfria ark, sa doktoranden vid Beihang University Sijie Wan, som är huvudförfattare till tidningsartikeln. "Till skillnad från kolfiberkompositer, ingen polymermatris behövs, " han sa.

"Även om ark med dyra kolfiberkompositer kan ge en liknande styrka i alla arkplanriktningar, energin som de kan absorbera före fraktur är ungefär en tredjedel av våra sekvensiellt överbryggade grafenark, "Sa Wan." Eftersom våra ark är tillverkade vid låga temperaturer, de är låga kostnader. Förutom att uppvisa hög plåtstyrka, seghet och trötthetsmotstånd, de har hög elektrisk konduktivitet och kan skydda mot elektromagnetisk strålning. Dessa egenskaper gör dessa sekvensiellt överbryggade grafenark ganska attraktiva för möjliga framtida applikationer. "